固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢工厂的概念设计研究报告

作者及机构
本研究由美国通用电气公司（General Electric Company）直接能源转换项目组的L. J. Nuttall主导，研究成果发表于1977年的《International Journal of Hydrogen Energy》期刊（第2卷，第395-403页）。

学术背景

本研究属于氢能生产与存储技术领域，核心目标是探索利用固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte, SPE）技术实现大规模水电解制氢的可行性。在能源需求日益增长的背景下，传统化石燃料制氢面临资源与环境限制，而水电解技术若能实现高效率（>90%）与高电流密度（如500–2000 A/ft²），将成为核能、太阳能等非化石能源制氢的理想选择。通用电气公司开发的SPE技术通过固态电解质替代传统液态电解质，解决了腐蚀、效率低等问题，本研究旨在验证其规模化应用的潜力，并为氢能存储系统提供经济性分析。

研究流程与方法

1. SPE电解池设计与性能测试

研究对象：实验室级SPE电解池，电解质为10–12密耳（mil）厚的全氟化聚合物膜（水解后含水率30%）。
关键组件：
- 电极：催化剂以薄膜形式压合在SPE表面，采用多层膨胀金属网实现电流收集。
- 密封与结构：硅橡胶垫片密封流体腔体，模块化设计支持多电池串联（如NASA原型机含27个电池）。
实验内容：
- 测试不同条件（温度：环境温度至300°F；压力：常压至3000 psi；电流密度：至2000 A/ft²）下的电压-电流特性（图3–4）。
- 验证高压（600 psi）下氢气扩散损失（图6）与电压升高效应（图5）。

2. 系统规模化设计

设计参数：
- 产氢量：3250 lb/h（62,500标准立方英尺/小时），压力30 atm，温度100°F。
- 系统寿命20年，支持0–100%负荷调节。
流程优化：
- 通过计算机程序权衡电流密度、电解质厚度（5–20 mil）与温度，确定最低氢气成本的运行点（图7–8）。
- 选定设计点：300°F、8 mil电解质、1580 A/ft²电流密度，对应电压1.71 V，扩散损失124 A/ft²。

3. 工厂系统集成

流体系统（图9）：
- 阳极循环：蒸馏水以电解速率的30倍循环冷却，经钛泵、氧/水分离器（内衬Kynar/碳层）净化。
- 阴极侧：质子迁移水通过热交换器回收，氢气流经脱氧单元（Deoxo）和干燥器（露点-70°F）。
成本分析：
- 电解模块1985年预估成本473万美元（8.15美元/kW），总系统成本4487万美元（表1）。
- 氢气成本随电价与运行周期变化（图11），在典型条件下约10–12美元/百万英热单位（HHV）。

主要结果与结论

1. 高效率与高电流密度：SPE电解池在500 A/ft²下效率超90%，未来有望提升至2000 A/ft²。
   
2. 高压适应性：潜艇级系统验证了3000 psi（204 atm）高压制氧能力，氢气扩散损失可控（图6）。
   
3. 经济性优势：相比传统电解技术，SPE系统无需电解质维护，资本成本与电力消耗显著降低。
   

研究价值与亮点

• 科学价值：首次系统量化SPE电解在规模化制氢中的性能边界，为后续材料（如更薄电解质膜）研发提供基准。
  
• 应用价值：与金属氢化物储能、燃料电池（26 MW）联用，可实现电网峰谷调节，推动可再生能源整合。
  
• 创新点：
  
  • 固态电解质消除腐蚀问题，简化水处理流程（仅需去离子净化）。
    
  • 模块化设计支持灵活扩容（如10 ft²单电池至450电堆组）。
    

其他重要内容

• 氧副产物利用：未计入成本模型，但高纯度氧可提升经济性。
  
• 材料限制：300°F为当前SPE材料的温度上限，更高温运行需新型聚合物开发。
  

本研究为SPE水电解技术从实验室走向工业应用奠定了关键基础，其高效、紧凑、低维护的特点使其成为未来绿色氢能生产的核心技术路线之一。