水电解制氢对于氢经济中氢供应链的构建和可再生能源的有效利用起着重要作用。日本目前主要开发两种类型的水电解。一种是碱性水电解（AWE），另一种是聚合物电解质膜水电解（PEMWE）。此前，研究人员已经报告了利用AWE的常压制氢系统的效率。在本研究中，使用最高的电解性能计算了利用PEMWE的常压制氢系统的效率，并讨论了其优点。

储存氢气时，通常使用机械压缩机进行加压。因此，不仅要讨论生产效率，还要讨论增压功率。由于PEMWE可以在加压条件下操作，因此可以直接从电解池中获得加压的氢气。使用PEMWE的高压制氢系统的方式有两种：（1）常压水电解与机械压缩机的组合系统；（2）利用电化学氢泵的高差压电解池系统。本研究中讨论了利用PEMWE的两个高压制氢和储氢系统的效率。

背景

通过水电解制造氢气，不仅可以构建氢气供应链，有效利用可再生能源，还有助于电力系统的稳定化。水电解包括碱性水电解（AWE：Alkaline Water Electrolysis）和聚合物电解质膜水电解（PEMWE：Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis）这两种类型，其中，AWE具有不需要贵金属材料的优点，PEMWE具有负荷变动适用范围广的优点。前者已经进入了商业阶段，研究人员此前也已经报告了常压制氢系统的效率。而后者目前仍处于实证阶段，期望能够通过利用高效的电化学泵¹^）功能高效地制造高压氢气。为了评估PEMWE的实际应用可能性，有必要正确评估其用于制氢系统的效率。

目的

计算PEMWE在常压下的系统效率，并与AWE进行比较。另外，假定使用PEMWE的两个高压系统，比较它们的系统效率，讨论优劣。

主要成果

1. PEMWE在常压下的系统效率

采用基于每个元件热量与物质平衡的计算方法，在不考虑设备规模和散热的条件下计算了PEMWE在常压下的系统效率。其最大值为83%，与AWE在常压下系统效率的最大值相同（图1(a)）。得到的估算结果是，PEMWE常压系统能够在维持效率的状态下使电流密度提高至3A/cm²左右（图1(b)）,与AWE常压系统（维持效率的电流密度上限约为0.5A/cm²）相比，有望达到6倍的制氢能力。

2. PEMWE在高压下的系统效率

对于PEMWE高压系统，研究人员设想了在常压下水电解并进行机械式压缩的方式（机械式系统）（图2(a)）和利用电化学泵进行压缩的方式（差压式系统）（图2(a)）。对这两种系统的效率进行估算后发现，在1Mpa的氢气压力下差压式系统的效率更高，而在20MPa以上（输送容器和加氢站的蓄压器等）的氢气压力下，机械式系统的效率更高（图3）。

为了明确其原因，比较了电解和氢气压缩所需的能量（图4）。关于氢气压缩能，无论氢气压力为多大，机械式和差压式之间的差异都较小；而关于电解能，随着氢气压力的增大，机械式的变化较小，而差压式增加。由此可知，在差压式系统中，压力提高导致电解能大幅增加，随着氢气压力的增大系统效率降低。

图1 利用AWE和PEMWE的常压系统的效率与电解电压和电流密度的关系

图2 估算系统效率的高压系统

注：

1）使用质子导体，通过电化学方式只移动和压缩氢气的方法。

利用固体高分子型水电解的常压与高压制氢系统效率的探讨