图4 电解槽小室电压随操作压力和温度变化曲线
由此可以看出，采用高压电解槽制氢，用于H2电化学增压部分的能耗，相比于电解能耗占比较小。也就是说电解槽的能耗，在工作压力从60barg增加到700barg的过程中并没有因为出口H2压力的升高而受到显著影响。也是因为这个原因，高压电解槽的研究受到广泛的关注。
在现有常见的H2储运方式中高压压缩储存对储运设备的要求相对简单，技术也较为成熟。同时如果电解槽的操作压力如果能够提高到>200barg工作压力，直接实现槽出口压力进行长管拖车充装（200barg），车载气瓶氢气加注（350barg或者700barg）。由于避免机械增压压缩机的使用，从系统设计的复杂性、项目投资（CAPEX）, 操作运行成本（OPEX, Efficiency）等方面均有明显的优势。当然，在此过程中高压电解槽的设计，制造由于工作条件的苛刻性，设备制造成本、工作寿命也需要进行详细评估。
问题研究3：水电解都发生了哪些反应？催化剂参与该反应的机理是什么？
析氧反应和析氢反应
在式（5）描述的电极反应式中，阴极产生H2，所发生的反应被称为析氢（HER）反应；阳极产生O2, 所发生的反应被称为析氧反应（OER）。
01
析氢反应（HER）:
针对酸性环境下的析氢反应的理论研究和实验研究较多，目前广泛接受的析氢反应机理有两种：
①机理一：
①机理二：
析氢反应发生在催化剂表面，式中Had 是吸附在催化剂表面的H原子。析氢反应的催化剂通常采用Pt或者Pt/C。阴极Pt的载量~0.025mg/cm2。
02
析氧反应（OER）:
贵金属Ir或者IrO2基材料是目前世界上已知最先进的PEM电解槽阳极析氧反应催化剂。其反应机理如下：（S代表反应区域）
目前阳极催化剂Ir的载量约为2mg/cm2 但是由于受Ir矿资源的限制，要实现PEM电解槽的大规模应用，就必须降Ir载量降低2个数量级。主要途径有掺杂非贵金属（多元Ir合金）和开发新型催化剂结构（纳米结构、核壳结构等）。
实际上Pt基催化剂上的析氢反应（HER）的电流交换密度，几乎是Ir基催化剂上析氧反应（OER）的103倍，缓慢的OER反应成为制约PEM电解槽整体生产效率的瓶颈。因此阳极催化剂的研发是电解槽研发的一个重点攻克课题。
总结与展望：
通过以上分析研究，未势能源系统总结了PEM电解槽理论知识对于产品开发实践的指导意义，包括：
1) 根据水电解制氢的热力学分析，反应为非自发的强吸热（摄能）过程，且分解水蒸汽的能耗要低于液态水；
2） 水分解为氢气和氧气的反应，除了需要热能外，还需要高品位的能源（如电能）输入；
3) 理论分析显示，标准状态下(液态水)，PEMWE电解堆小室电压的理论值为1.23V. 相同状态下水蒸汽的理论小室电压为1.18V；
4) 电解过程的小室电压，能耗，随着操作水温变化而变化。提高操作温度可以降低高品位能量（电能）的消耗；实际应用中操作温度选取需考虑电解堆零部件材料的耐受温度。PEM电解堆操作温度通常为85DegC，主要是受质子交换膜机械稳定性限制；
5）理论分析显示随着电解槽出口压力的升高，电解槽小室电压升高，但是在低压区间（<60barg）时增速远高于高压（60barg~700barg）区间。该分析从理论层面阐明采用高压电解槽制氢，相比于机械压缩具备显著能耗优势。另一方面，高压电解槽（出口压力>200barg）相比于机械增压避免了旋转动设备的应用，具备稳定可靠性优势，值得重点关注；
6）HER和OER反应需要催化剂，其中OER反应电流交换密度为HER反应的1/1000，是制约电解水制氢反应速度的瓶颈，成为研究重点。
PEM 是 20 世纪 70 年代发展起来的技术，该技术能够提高产氢纯度，同时获得大电流密度和快速响应性，可很好的适配于波动性较大的可再生能源发电系统，目前以欧美发达国家研究和应用为主，因为质子交换膜造价昂贵、制造工艺尚不完善，实际工程经验不足等原因，当前，PEM电解槽开发不仅成本较高，而且仍存在一些问题值得进一步探索，随着对催化剂、制造工艺等研究的不断推进，PEM电解水制氢技术有望得到更大发展，对未来能源转型及环境治理起到重要推动作用。
来源：未势能源
