制氢环节是双碳目标的提出使“绿氢”成为减碳脱碳的重要途径。其中，电解水制氢是重要的制取绿氢的方法。电解水制氢规模的提升，也使电解槽市场迅速增长。绿氢在制造成本上居高不下的主要原因是电价和电解水制氢系统，电解槽作为可再生能源大规模制氢的关键装备，在制氢系统总成本中的占比近50%。因此，以电解槽为代表的氢能设备，对于制氢成本的降低起着关键性作用。本文主要对各类电解槽技术进行了对比。2024年1月23日-24日在上海市将举办“2024年风电制氢、制甲醇和氨产业发展上海论坛”和“2024年海上风电产业创新发展上海论坛”，展会届时将邀请来自国内外的风电业主、运营商、EPC单位、设备厂商、配套厂家、施工安装、政府部门、船东、船厂、研发单位、设计、贸易、服务和投资等单位代表参加，交流、探讨和分享陆地和海洋风能产业技术创新发展现状、应用和趋势等。咨询报名邮件：china@ishipoffshore.com 或 chinabobli@126.com
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图1电解水制绿氢
01什么是电解槽？
电解槽将水在直流电的作用下电解成氢气和氧气。电解槽的每个电解小室分为阳极小室和阴极小室。电解槽的阴极小室产生氢气，阳极小室产生氧气。其主要性能要求包括：制得的氢气纯度高，能耗低，结构简单，制造维修方便且使用寿命长，材料的利用率高。电解槽主要部件和材料包括电极、隔膜、绝缘材料和电解液。目前我国电解水制氢设备多运用于光伏、风电等可再生能源制氢，这是主攻方向。
图2电解槽工作原理
02 电解槽技术分类
主流电解水制氢技术包括碱性水电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)、高温固体氧化物电解(SOEC)、固体聚合物阴离子交换膜电解(AEM)四种。目前在中国，ALK已经完成可商业化，产业链较为成熟，PEM目前还处于商业化初期，产业链国产化程度不足；SOEC和AEM仍处于研发和示范阶段，目前没有进行商业化应用。
03碱性水电解技术 (ALK)
1.简介
碱性电解水制氢是指在碱性电解质环境下进行电解水制氢的过程，电解质一般为30%质量浓度的KOH溶液或者26%质量浓度的NaOH溶液。碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和BOP辅助系统。电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成。
碱性电解技术最大的优势是阴阳电极板中不含有贵金属，因此电解槽的成本相对较低。最核心的特点是要求电力稳定可靠，不适合风光等间歇性电能。商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。
图3 碱性电解池
2.组成
碱性电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成，电解槽包括数十甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。碱性电解水制氢电解槽主要成本构成为电解电堆组件(45%)和系统辅机(55%)；电解槽成本中55%是膜片及膜组件。
3.制氢能力越大，设备成本越高
一般碱性电解槽的成本与其制氢能力有关，制氢能力越大，设备成本越高。根据市场主要碱性电解槽厂家的报价，发现设备的制氢能力与其成本基本呈线性正相关关系。1台1000Nm3/h电解水制氢装置的成本是2台500Nm3/h成本的70-75%，正在研制的更大产量的电解槽会进一步降低投资和运行成本，有利于电解水设备的大规模应用。针对可再生能源发电的波动性、不稳定性特点，电解水制氢装置确定设备型号、数量及制氢/供氢的均衡/负荷率，原则上应进行技术与经济的综合比较，确定选型、总制氢容量等，然后进行合理配置，具体拟建绿氢系统的总制氢量所用电力应小于可再生能源发电的额定输出功率。
图4 碱性电解槽制氢能力与成本的关系
4.碱性电解池主要供应商及产品
国内已有超百家企业布局或规划碱性电解槽的研发或生产，国内主流的碱性电解槽企业，均具备大功率电解槽的生产能力，负载可调范围广、产品成熟度高。其中中船派瑞氢能科技有限公司(2022年产能15GW(碱性+PEM))、考克利尔竞立氢能科技有限公司(2022年产能1GW)、天津市大陆制氢设备有限公司(2022年产能1GW)是主流供货商，从其产品应用情况看，电力、冶金、化工、电子等应用领域，各家均有涉足。从客户分布看，除了中国市场，各家国外的碱性电解槽市场也很广阔，说明国内产品在国际上同样具备较强的竞争力。2022年单中国的碱性电解槽出货量就近800MW，而在2021年全球的电解槽出货量仅为458MW。业内也有人称2022年为氢能源产业的“制氢元年”。
2023年1-2月，全国有至少8个采用碱性水电解技术的绿氢项目开工或进入制氢设备招标环节，而2022年同期则主要只有中石化新疆库车项目，该项目电解槽招标量为260MW。电解槽需求预计超730MW，约为去年同期2.8倍。碱性电解槽制氢应用领域拓展。全国首个海水制氢项目开工，大连清洁能源集团旗下的海水制氢产业一体化示范项目一期投资约8亿元，建设100兆瓦滩涂光伏，60兆瓦制氢，计划于今年10月1日正式建成投产，形成年发电量1.37亿千瓦时绿电和年产2000吨的新能源绿氢产能。
5.质子交换膜电解（PEM）
质子交换膜水电解制氢是指使用质子交换膜作为固体电解质、并使用纯水作为电解水制氢的原料的制氢过程。PEN电解水制氢系统由PEM电解槽和辅助系统(BOP)组成。和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，PEM电解水制氨技术工作效率更高。但由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。目前中国的PEM电解槽发展和国外水平仍然存在一定差距，国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模大约在260Nm3/h，而国外生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模可以达到1000Nm3/h，国产大型质子交换膜水电解技术还有很大的进步空间。
图5 PEM电解槽
质子交换膜电解槽由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板等零部件组装而成，是PEM电解水制氢装置的核心部分。电解槽的最基本组成单位是电解池，一个PEM电解槽包含数十甚至上百个电解池。质子交换膜电解槽成本45%是电解电堆、55%是系统辅机，其中电解电堆成本中53%是双极板，膜电极成本由金属Pt、金属Ir、全氯磺酸膜和制备成本四要素组成。由于PEM电解槽的质子交换膜需要150-200微米，在加工的过程中更容易发生肿胀和变形，膜的溶胀率更高，加工难度更大，主要依赖于国外产品。
国内涉及质子交换膜电解水制氢技术的企业相对较少，目前约有20家企业在质子交换膜电解水制氢领域布局。2021年之前，聚焦质子交换膜电解水制氢技术的企业主要包括中船派瑞氢能和赛克赛斯等深耕多年的企业，2021年后，多家新能源企业纷纷进入。质子交换膜制氢设备的传统应用领域主要集中在电子加工、半导体、电力、金属粉末加工和高校实验室等领域。在这些领域，中船派瑞氢能和赛克赛斯等企业生产的小型质子交换膜电解制氢设备得到了广泛应用。
中国质子交换膜制氢设备的产能已经超过百兆瓦级，和碱性制氢设备吉瓦级的产能差距明显。未来，质子交换膜制氢设备将向大功率制氢的方向发展。包括中船派瑞氢能、赛克赛斯和国氢科技长春绿动等都开始研发兆瓦级以上的大功率质子交换膜电解槽。
目前聚焦技术研发和设备生产的科研机构和公司主要有中科院大化所、山东赛克赛斯、中船718所、淳华氢能等。近两年，阳光电源、国电投和中石化等企业也开始布局PEM电解槽的研发和生产。随着国产燃料电池产业化的提速和成本下降，未来其成本下降的效益可以被PEM制氢设备共享。预计未来对大型PEM电解水制氢设备的需求将进一步增加，随着产能扩大、设备国产化和技术提升，国产PEM制氢系统的成本有望下降50%以上。
6.两种新型电解水制氢技术
SOEC和AEM
高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)是指在高温下将电能和热能转化为化学能的过程。SOEC电解系统的最基本组成单元是SOEC电解池，多个电解池组装在一起成为SOEC电堆。多个电堆和气体处理系统、气体输送系统一起可以组合成SOEC电解模块。高温固体氧化物电解水制氢技术电解池由电解质、阴极和阳极等核心部分组装而成。SOEC电解水制氢技术最大的优势是电耗低，适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。但由于对阴阳极材料的特性要求较高，使得材料的成本大大增加，因此商业化应用受到限制。高温固体氧化物电解水技术总体产业化程度不高，推出的商业化产品较少，仍处于研发阶段。国外企业主要包括德国Sunfire公司和美国Bloom Energy公司等。国内目前尚处于研发示范阶段。由于在运行过程中对于热能的需求更大，国内外SOEC示范项目主要集中于热能资源丰富或废热较多的地区，如钢铁冶炼工厂、化工合成工厂或者核能发电工厂，这些是未来SOEC的主要应用场景。
固体聚合物阴离子交换膜水电解(AEM)是指使用成本较低的阴离子交换膜作为隔膜，低浓度的碱性溶液或纯水作为电解液，非贵金属催化剂作为反应催化剂的制氢过程。AEM电解池核心构成包括阴极材料、阳极材料和阴离子交换膜。目前开发的阴离子交换膜仍然无法兼顾工作效率和设备寿命，还未找到最合适的材料，阴极材料主要是镍，阳极材料主要是镍铁合金。AEM电解水技术是目前较为前沿的电解水技术之一，AEM电解水技术结合了ALK电解水技术和PEM电解水技术的优点，目前处于实验室研发阶段，全世界只有极少数的公司在尝试将其商业化。
7.技术分析
电解水制氢的成本主要取决于电力成本、电解槽投资成本和运行负荷、其中电力成本对电解水制氢的敏感性影响最高60%~70%。随着电力成本下降、设备投资成本的占比逐渐增加。未来降本驱动因素主要在于，电价降低、设备利用率的增加以及技术进步降低电解槽成本，但由于碱性电解槽工艺技术已经十分成熟，通过技术革新降低成本幅度不大，PEM存在较大将本空间，未来10年通过技术改进和规模扩张，可以降本40%，制氢成本将下降5%-10%。
