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前言

当前，虽然利用化石燃料制氢技术成熟，但与减少碳排放的初衷相悖，未来氢能的发展方向一定是以可再生能源制氢为主的绿色制氢技术。3月23日，我国氢能顶层规划正式出台，明确到2025年，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分。通过可再生能源电解水生产“绿氢”是零碳、环保的制氢方式，且随着新能源装机的快速提升，风光度电成本未来将低于煤电，绿氢成本有望在2030年实现平价，作为绿氢制备的关键设备，电解槽成为行业关注焦点，本文我们主要聚焦电解槽发展现状和未来发展趋势。

1、为什么要发展电解水制氢

当前，化石能源重整制氢是目前氢气最主要的来源，占比达到96-97%，无论国内还是国外电解水制氢只占极低的比例，仅为3-4%，虽然利用化石燃料制氢技术成熟且成本低，但与减少碳排放的初衷相悖，通过可再生能源电解水生产“绿氢”将是未来深度脱碳的制氢方式。从供应潜力看，19年我国全年仅弃风、弃光和弃水电量就分别高达169亿、46亿和300亿Kwh，合计弃电总量达到515亿Kwh，理论上可制氢92万吨，至少满足20万辆公交车使用。随着技术升级，充分利用风能、太阳能等可再生资源会使电解制氢成本大幅降低，我国可再生资源丰富，大幅增加可再生能源发电将是未来以低成本大规模生产氢的重要能量来源，交通和供热领域都将是氢能重要发展领域。

2、三种主流电解水制氢技术

电解水制氢是指水分子在直流电的作用下解离生成氧气和氢气，分别从电解槽的阳极和阴极析出，其生产历史已有100余年，1800年，Nicholson和Carlisle发现了水的电解，到1902年就已经有400多个工业电解槽。根据电解质不同，目前世界主流电解水制氢主要分为碱性电解水制氢(ALK)、固体聚合物PEM电解水制氢和固体氧化物电解水制氢(SOEC)三种。其中，ALK技术最为成熟，PEM处于商业化初期，SOEC仍处于研发和示范阶段，BNEF预计，与2020-2021年比，因为碱性电解更便宜，更适合大型项目，碱性电解水产品在2022年全球电解槽市场的份额将更大，占出货量的75-78%。

1）碱性电解水制氢

碱性液体水电解技术采用20-30%浓度的KOH、NaOH水溶液为电解质，阴阳电极采用镍基材料，隔膜采用石棉布或PPS（聚苯硫醚）等绝缘材料，在直流电的作用下，将水电解生成氢气和氧气。碱性电解水制氢技术较成熟，设备结构简单，制造成本低，价格只有PEM电解槽的1/4-1/5。单体设备产氢量大（目前市面上成熟电解槽单机产氢量最大为1000Nm³/h），运行寿命可达15-20年，但电流密度低导致电解槽体积大，同时冷启动时间长，动态响应能力弱。目前工业上广泛使用操作温度为70-90℃的碱性电解水制氢装置，操作温度为120-150℃的装置正在研制。

碱性电解槽发展主要经历了从常压到加压，从石棉隔膜到非石棉隔膜电解槽，从小规模到大规模，目前加压（1.6mpa和3.2mpa两种）非石棉隔膜的兆瓦级产品成为碱性电解槽的主流产品。水电解制氢的装置有多种形式，主要从电解槽结构、电气连接方式等进行分类：电解槽的结构主要分为箱式水电解槽（一般常压运行）与压滤式水电解槽（两端用端板压紧，可常压也可加压运行），箱式电解槽主要用于电镀、提炼等用途，目前水电制氢电解槽的结构主要是压滤式电解槽，具有效率高、结构紧凑的优点；电解槽的电气连接方式可分为：单极式水电解槽和双极式水电解槽，双极式电解槽由多个并列的电解池（小室）构成，同一块极板的正面是阴极，背面是阳极，一块极板起着两种极性作用，因此称为双极性电解槽，不同于单极式电解槽每个电解池都有独立供电的阳极与独立供电的阴极，而是若干电解池以串联的方式靠一组电源供电，总共只有一个阳极与一个阴极，双极式电解槽是主流。

图3：单极式水电解槽

图4：双极式水电解槽

电解水制氢系统由电解槽及辅助系统组成，其中电解槽是电解反应发生的主要场所，辅助系统则主要由电力转换设备、水循环、气体分离、气体提纯等模块组成。对于碱性电解槽而言，设备成本主要由电极、膜片等核心部件的成本驱动，在碱性电解槽电解电堆的成本组成中，超过50%的成本与电极和膜片有关，电极材料和隔膜电阻也是影响水电解能耗的关键因素，因此电极和隔膜的改进一方面可降低成本，一方面可降低能耗。同时碱性电解制氢系统的辅机部分（BOP），碱液循环以及氢气后处理对成本降低也较为重要。

图5：1MW碱性电解槽的成本组成

电解槽由电解小室组成，每个小室由阳极板、阳副极网、隔膜、垫片、阴副极网、阴极板组成。每个电解小室所产生的氢气、氧气通过隔在正电极和负电极之间的隔膜分开，与隔膜两面贴合的镍网一面是正极镍网（小孔较密），一面是负极镍网（小孔较密），镍网外侧是支撑网（大网孔较稀）用于气、液的流场。

图6：电解小室结构

在碱性电解水制氢中，所用的碱性电解液（如KOH）会与空气中的CO2反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐（如K₂CO₃），导致多孔的催化层发生阻塞，从而阻碍产物和反应物的传递，降低电解槽的性能；另一方面，碱性电解槽难以快速的关闭或者启动，制氢的速度也难以快速调节，因为必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过隔膜混合，进而引起爆炸，导致碱性电解槽与具有快速波动特性的可再生能源配合有一定难度。针对碱性电解槽的特点，碱性电解水制氢发展方向如下：

电解槽大型化

减少接触电阻，优化电极材料，提高电流密度：碱性电解槽的阴极、阳极的基材一般是镍材，然后在基材上通过热喷涂、或刷涂烧结、或化学镀、或PVD等方法把催化元素结合在基材上（催化层涂布），有贵金属铱等元素，也有非贵金属元素，有应用于正极的，也有应用于负极的，贵金属电极的价格贵，总的目的是获得高效节能（即电流密度高，小室电压低），且纯度好性价比高的电解水制氢。

电催化剂在制氢电解槽中的作用是至关重要的，也是决定制氢电解槽的制氢效率的根本，理论上水电解的电压为1.23V，热中性电压1.48V，但是在实际的大型化设备中，由于在设备运行过程中电极的极化作用和电解槽的欧姆电阻的存在，导致单个电解小室的电压达到2V左右。如下式：U=E0 I*R0 E，其中U代表了单个电解小室的总电压，E0代表了理论分解电压（1.23V），I*R0代表了电解槽的欧姆电压降，E为过电位。

碱性电解水的催化剂从科研来说种类繁多，贵金属基的催化剂（Pt,Pd,Au,Agetc.），非贵金属基的催化剂（Fe,Co,Nietc.），非金属基的催化剂（碳材料等），目前在大型电解槽中用的催化剂大多是Ni基的，纯镍网或者泡沫镍或者以此为基底喷涂的高活性Ni基催化剂，如RaneyNickel雷尼镍（通过镍铝合金用浓氢氧化钠溶液处理，在这一过程中，大部分的铝会和氢氧化钠反应而溶解掉，留下了很多大小不一的微孔，使得雷尼镍催化剂具有较大的比表面积）、活化处理的硫化镍、Ni-Mo合金等。采用Ni基催化剂的原因主要有3点：Ni基催化剂的制备工艺成熟（Ni网、Ni毡产品成熟，且Ni网目数和厚度可以较好的控制）、Ni基催化剂相对廉价、极板与催化剂之间的接触腐蚀问题（极板需要镀与催化剂相同的金属，如果采用贵金属催化剂，极板镀层需要电镀与催化剂材料相同的镀层）。因此，使用Ni基催化剂能够降低大型电解槽整体的制造成本。

图7：RaneyNi和镍网

隔膜优化，降低能耗，在保证气体纯度的情况下提高运行压力：隔膜的主要功能是阻气透液，目前第一代石棉膜已经淘汰（石棉在碱性电解液中的溶胀性与石棉对人体的伤害），第二代包括PBI、PPS（聚苯硫醚）等，PPS织物有着耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的特点，但是PPS织物的亲水性太弱，如果只用PPS织物作为隔膜，会造成电解槽内阻过大，因此需要对PPS织物进行改性，增强其亲水性。目前，行业内广泛使用的隔膜为PPS织物 无机层涂覆的新型复合隔膜，复合隔膜是在PPS基底两面涂覆浆料构成的，PPS织物作为基底能够提供一定的物理支撑作用，表面涂覆浆料中含有二氧化锆和聚合物，其中二氧化锆等无机氧化物纳米颗粒是改善其亲水性的主要物质，通过改善隔膜的亲水性，提高隔膜与电解液的相容性，降低电解槽的内阻；

图8：复合隔膜结构示意图

研究大规模可再生能源匹配的制氢技术；

实现规模化、自动化、智能化，大幅降低制造成本。

2）PEM电解水制氢

碱式电解槽相比，PEM电解槽用质子交换膜代替了石棉膜、PPS膜，传导质子，并隔绝电极两侧的气体，避免了碱性电解液所带来的缺点。质子交换膜一般使用全氟磺酸膜，传递质子，隔绝开阴阳极生成的气体，并阻止电子的传递。PEM电解槽的结构类似燃料电池电堆，主要由膜电极（质子交换膜、催化剂、气体扩散层）、双极板构成，但在材料用量和加工工艺两者有所差异。PEM电解槽的电解质为固体质子交换膜，氢气渗透率较低，产生的氢气纯度高，仅需脱除水蒸气，工艺简单，安全性高；电流密度高（＞1A/cm2），电解槽运行电流密度通常至少是碱水电解槽的3-4倍以上；采用零间距结构，欧姆电阻较低，显著提高电解过程的整体效率，且体积更为紧凑；压力调控范围大，氢气输出压力可达数MPa，可以适应快速变化的可再生能源电力输入。

表2：PEM电解槽和PEM电堆材料异同

PEM电解技术和大规模推广难点主要体现在以下几方面：

阳极催化剂——低铱、耐酸、高活性的析氧催化剂成为业内的主要研究方向。PEM电解水电极反应中，商业化的 Pt 基催化剂可直接用于 PEM 水电解阴极的析氢反应，阳极析氧反应极化远高于阴极析氢反应的极化，是影响电解效率的重要因素。电化学极化主要与电催化剂的活性相关，选择高活性的催化剂、改善电极反应的三相界面有利于降低电化学极化。

图9：电解槽电压与电流：析氧过电势高

阳极反应环境恶劣：强酸、强腐蚀，对阳极析氧催化剂酸稳定性要求极高：PEM电解水阳极侧析出的原子氧具有强氧化性，对阳极侧的催化剂载体与电解池材料的抗氧化与耐腐蚀要求较高；阳极析氧过电势高：析氧反应是PEM电解水的瓶颈反应，析氧过电势是影响反应效率的主要因素，要求阳极催化剂具有较高的催化活性；理想的析氧电催化剂应具有高的比表面积与孔隙率、高的电子传导率、良好的电催化性能、长期的机械与电化学稳定性、小的气泡效应、便宜可用与无毒性等，因此Ir、Ru等贵金属/氧化物以及以它们为基的二元、三元合金/混合氧化物是较为理想的催化剂材料。铱产量限制：目前PEM电解槽的Ir用量往往超过2mg/cm2，预计2030年装机30GW电解槽时需要15-30吨铱，是目前年产量的2-4倍，因为Ir、Ru的价格昂贵且资源稀缺，低铱含量是必然的方向。

图10：全球铱供需情况

图11：吉大研发出铱含量28%的钙钛矿结构低铱催化剂

阳极气体扩散层：PEM水电解的扩散层多采用 Ti 基材料并进行耐腐蚀表面处理，以抵抗析氢、析氧条件下的腐蚀问题，扩散层材料本身既涉及欧姆极化，扩散层结构又与扩散极化相关，需要综合考虑。目前使用的钛纤维毡主要有以下几个问题：钛纤维毡的流体通过性差：钛纤维毡板内部空隙结构复杂，没有规律性，导致气体和水在其内部的流体阻力较大，流体通过性较差，影响整个电解反应效率；钛纤维毡与膜电极接触效率低：钛纤维毡表面不规则，且孔隙率较大，导致在与膜电极表面催化的接触为线接触，接触效率低，活性点位少，降低了催化反应速度；导致质子交换膜厚度难以降低：钛纤维毡板表面孔隙较大且孔径大小不一，为了防止质子交换膜在高压反应下剪切破坏，必须使用比孔径更大的厚度的质子交换膜，膜越厚，膜电阻越大。Ti基材本身的成本与表面处理材料的成本在 PEM 电堆中占比较大，改造的方法更多是在制造工艺上，如氢克新能源采用的高有序化直通孔结构阳极气体扩散层制造工艺（包括采用激光雕刻和金刚线切割等）可低成本规模化量产钛纤维毡板。

图12：电解槽电压与电流：组件和膜电阻高

图13：阳极气体扩散层内部结构较杂乱

3）固体氧化物电解水制氢

SOEC电解水技术采用固体氧化物作为电解质材料，阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ，阳极材料选用钙钛矿氧化物等非贵金属催化剂，常用电解质为YSZ基氧离子导体或BZCY基质子导体，可在700-1000℃的高温下工作，具有能量转化效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点。根据水分解热力学性质与温度的关系，高温操作条件下电解水反应能够在热中性电压下进行，因此如果制氢现场有高质量的废热源，通过合理的热回收，制氢过程所需要的总能量（焓变ΔH）可由电能（吉布斯自由能变ΔG）与热能（TΔS）共同提供，降低了电能的需求，使得整体电效率大大提升，可以达到甚至超过100%。此外，较高的操作温度也大大降低了析氧、析氢两个半反应的过电位，使高温电解制氢具有天然的高效率优势，也避免了贵金属催化剂的使用。

图14：水分解制氢反应热力学能量与温度的关系

图15：三种类型电解水制氢性能区间与热中性电压关系图

目前SOEC技术国内外仅在实验室和通过小型示范规模发展，SOEC对材料要求比较严苛，在电解的高温高湿条件下，常规材料的氧电极在电解模式下存在严重的阳极极化和易发生脱层，氧电极电压损失远高于氢电极和电解质的损失，因此需要开发新材料和新氧电极以降低损失。此外，在电堆集成方面，需要解决在SOEC高温高湿条件下玻璃或玻璃-陶瓷密封材料寿命显著降低的问题。

SOEC理论电解制氢效率与产氢速率跟高，不使用贵金属催化剂，未来降本空间大，但由于技术水平尚不成熟，寿命低，目前其投资成本比较高昂，商业化大规模使用尚不成熟，同时对高温热源的需求可能也会限制SOEC的长期经济可行性。

3、需求端星辰大海，供给端群雄逐鹿

据彭博新能源财经（BNEF）统计，2020年全球完成电解槽项目装机200MW，2021年达到458MW，2022年电解槽出货量将至少是21年四倍，达到1.8-2.5GW，其中中国将占总需求的62-66%，碱性电解槽因经济效益更好将继续主导市场，2022年市场份额为80%以上。到2030年，全球累计装机量会超过40GW。据香橙会氢能数据库统计，全球已有约70个在建中的绿氢项目，其中吉瓦级项目22个，主要分布在欧洲（11个）和澳大利亚（7个），中东和南美也有巨大潜力，全球规划中的吉瓦级绿氢项目产能合计144.1GW，其中欧洲和澳大利亚占了接近93%，处于绝对领先。中国氢能联盟发布《可再生氢100行动倡议》，力争到2030年实现国内可再生能源制氢装机规模达到100GW。据国际能源署可持续发展情景预测，到2070年，全球对氢气的需求预计将在目前的基础上增长7倍，达到5.2亿吨。可以看到随着绿氢需求增加，短期看电解槽市场整体将处于供不应求状态。

图16：全球规划绿氢制造项目

在电解槽旺盛需求预期驱动下，国内外企业加速扩产，其中国内公司以碱性电解槽扩产为主：2022年，中船718将把现有产能提升1倍至1.5GW，隆基由500MW提升至1.5GW，并计划在未来5年内产能将达到5-10GW；海外康明斯、ITMPower等公司扩产以PEM电解槽扩产为主。预计2022年全球电解槽产能13.5GW，其中碱性电解槽产能9.9GW，占比74%，PEM电解槽3.6GW，占比26%。

图17：全球电解槽产能统计

除了原有企业扩产外，氢能巨大的市场空间也吸引了诸多老牌企业，德国的Thyssenkrupp、美国的HoneywellInternational，国内企业如华电、国富氢能等新进入者也纷纷宣布要进入电解槽市场。在双碳目标下，绿氢在深度脱碳和全社会行业去碳化路上的关键性作用毋庸置疑，电解槽作为绿氢制备的核心设备，仅过去一年，国内就新增几十家电解槽企业。在众多资本的加持下，绿氢降本速度将有望提升，预计到2030年，国内碱性电解槽的成本将从目前的2000元/kW降至700-900元/kW，到2050年，可降至530-650元/kW，预计“十四五”期间可再生能源平均上网电价将降低到0.25元/kWh以下，对应绿氢成本可降至15元/kg以下，BloombergNEF预测指出到2050年绿氢价格将低于天然气、灰氢和蓝氢，届时绿氢成本将较现在降低85%，低于1美元/kg。对于国内电解槽企业，尤其是新进入的企业来说，电解槽行业本质是一个产品 工程 品牌营销能力的行业模式，持续的研发和专业人才培养，产能建设&产品交付能力以及工艺的积累是各家能否最终胜出的关键。