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前言

當前，雖然利用化石燃料制氫技術成熟，但與減少碳排放的初衷相悖，未來氫能的發展方向一定是以可再生能源制氫為主的綠色制氫技術。3月23日，我國氫能頂層規劃正式出臺，明確到2025年，可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年，成為新增氫能消費的重要組成部分。通過可再生能源電解水生產“綠氫”是零碳、環保的制氫方式，且隨著新能源裝機的快速提升，風光度電成本未來將低于煤電，綠氫成本有望在2030年實現平價，作為綠氫制備的關鍵設備，電解槽成為行業關注焦點，本文我們主要聚焦電解槽發展現狀和未來發展趨勢。

1、為什么要發展電解水制氫

當前，化石能源重整制氫是目前氫氣最主要的來源，占比達到96-97%，無論國內還是國外電解水制氫只占極低的比例，僅為3-4%，雖然利用化石燃料制氫技術成熟且成本低，但與減少碳排放的初衷相悖，通過可再生能源電解水生產“綠氫”將是未來深度脫碳的制氫方式。從供應潛力看，19年我國全年僅棄風、棄光和棄水電量就分別高達169億、46億和300億Kwh，合計棄電總量達到515億Kwh，理論上可制氫92萬噸，至少滿足20萬輛公交車使用。隨著技術升級，充分利用風能、太陽能等可再生資源會使電解制氫成本大幅降低，我國可再生資源豐富，大幅增加可再生能源發電將是未來以低成本大規模生產氫的重要能量來源，交通和供熱領域都將是氫能重要發展領域。

2、三種主流電解水制氫技術

電解水制氫是指水分子在直流電的作用下解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽的陽極和陰極析出，其生產歷史已有100余年，1800年，Nicholson和Carlisle發現了水的電解，到1902年就已經有400多個工業電解槽。根據電解質不同，目前世界主流電解水制氫主要分為堿性電解水制氫(ALK)、固體聚合物PEM電解水制氫和固體氧化物電解水制氫(SOEC)三種。其中，ALK技術最為成熟，PEM處于商業化初期，SOEC仍處于研發和示范階段，BNEF預計，與2020-2021年比，因為堿性電解更便宜，更適合大型項目，堿性電解水產品在2022年全球電解槽市場的份額將更大，占出貨量的75-78%。

1）堿性電解水制氫

堿性液體水電解技術采用20-30%濃度的KOH、NaOH水溶液為電解質，陰陽電極采用鎳基材料，隔膜采用石棉布或PPS（聚苯硫醚）等絕緣材料，在直流電的作用下，將水電解生成氫氣和氧氣。堿性電解水制氫技術較成熟，設備結構簡單，制造成本低，價格只有PEM電解槽的1/4-1/5。單體設備產氫量大（目前市面上成熟電解槽單機產氫量最大為1000Nm3/h），運行壽命可達15-20年，但電流密度低導致電解槽體積大，同時冷啟動時間長，動態響應能力弱。目前工業上廣泛使用操作溫度為70-90℃的堿性電解水制氫裝置，操作溫度為120-150℃的裝置正在研制。

堿性電解槽發展主要經歷了從常壓到加壓，從石棉隔膜到非石棉隔膜電解槽，從小規模到大規模，目前加壓（1.6mpa和3.2mpa兩種）非石棉隔膜的兆瓦級產品成為堿性電解槽的主流產品。水電解制氫的裝置有多種形式，主要從電解槽結構、電氣連接方式等進行分類：電解槽的結構主要分為箱式水電解槽（一般常壓運行）與壓濾式水電解槽（兩端用端板壓緊，可常壓也可加壓運行），箱式電解槽主要用于電鍍、提煉等用途，目前水電制氫電解槽的結構主要是壓濾式電解槽，具有效率高、結構緊湊的優點；電解槽的電氣連接方式可分為：單極式水電解槽和雙極式水電解槽，雙極式電解槽由多個并列的電解池（小室）構成，同一塊極板的正面是陰極，背面是陽極，一塊極板起著兩種極性作用，因此稱為雙極性電解槽，不同于單極式電解槽每個電解池都有獨立供電的陽極與獨立供電的陰極，而是若干電解池以串聯的方式靠一組電源供電，總共只有一個陽極與一個陰極，雙極式電解槽是主流。

圖3：單極式水電解槽

圖4：雙極式水電解槽

電解水制氫系統由電解槽及輔助系統組成，其中電解槽是電解反應發生的主要場所，輔助系統則主要由電力轉換設備、水循環、氣體分離、氣體提純等模塊組成。對于堿性電解槽而言，設備成本主要由電極、膜片等核心部件的成本驅動，在堿性電解槽電解電堆的成本組成中，超過50%的成本與電極和膜片有關，電極材料和隔膜電阻也是影響水電解能耗的關鍵因素，因此電極和隔膜的改進一方面可降低成本，一方面可降低能耗。同時堿性電解制氫系統的輔機部分（BOP），堿液循環以及氫氣后處理對成本降低也較為重要。

圖5：1MW堿性電解槽的成本組成

電解槽由電解小室組成，每個小室由陽極板、陽副極網、隔膜、墊片、陰副極網、陰極板組成。每個電解小室所產生的氫氣、氧氣通過隔在正電極和負電極之間的隔膜分開，與隔膜兩面貼合的鎳網一面是正極鎳網（小孔較密），一面是負極鎳網（小孔較密），鎳網外側是支撐網（大網孔較稀）用于氣、液的流場。

圖6：電解小室結構

在堿性電解水制氫中，所用的堿性電解液（如KOH）會與空氣中的CO2反應，形成在堿性條件下不溶的碳酸鹽（如K?CO?），導致多孔的催化層發生阻塞，從而阻礙產物和反應物的傳遞，降低電解槽的性能；另一方面，堿性電解槽難以快速的關閉或者啟動，制氫的速度也難以快速調節，因為必須時刻保持電解池的陽極和陰極兩側上的壓力均衡，防止氫氧氣體穿過隔膜混合，進而引起爆炸，導致堿性電解槽與具有快速波動特性的可再生能源配合有一定難度。針對堿性電解槽的特點，堿性電解水制氫發展方向如下：

電解槽大型化

減少接觸電阻，優化電極材料，提高電流密度：堿性電解槽的陰極、陽極的基材一般是鎳材，然后在基材上通過熱噴涂、或刷涂燒結、或化學鍍、或PVD等方法把催化元素結合在基材上（催化層涂布），有貴金屬銥等元素，也有非貴金屬元素，有應用于正極的，也有應用于負極的，貴金屬電極的價格貴，總的目的是獲得高效節能（即電流密度高，小室電壓低），且純度好性價比高的電解水制氫。

電催化劑在制氫電解槽中的作用是至關重要的，也是決定制氫電解槽的制氫效率的根本，理論上水電解的電壓為1.23V，熱中性電壓1.48V，但是在實際的大型化設備中，由于在設備運行過程中電極的極化作用和電解槽的歐姆電阻的存在，導致單個電解小室的電壓達到2V左右。如下式：U=E0 I*R0 E，其中U代表了單個電解小室的總電壓，E0代表了理論分解電壓（1.23V），I*R0代表了電解槽的歐姆電壓降，E為過電位。

堿性電解水的催化劑從科研來說種類繁多，貴金屬基的催化劑（Pt,Pd,Au,Agetc.），非貴金屬基的催化劑（Fe,Co,Nietc.），非金屬基的催化劑（碳材料等），目前在大型電解槽中用的催化劑大多是Ni基的，純鎳網或者泡沫鎳或者以此為基底噴涂的高活性Ni基催化劑，如RaneyNickel雷尼鎳（通過鎳鋁合金用濃氫氧化鈉溶液處理，在這一過程中，大部分的鋁會和氫氧化鈉反應而溶解掉，留下了很多大小不一的微孔，使得雷尼鎳催化劑具有較大的比表面積）、活化處理的硫化鎳、Ni-Mo合金等。采用Ni基催化劑的原因主要有3點：Ni基催化劑的制備工藝成熟（Ni網、Ni氈產品成熟，且Ni網目數和厚度可以較好的控制）、Ni基催化劑相對廉價、極板與催化劑之間的接觸腐蝕問題（極板需要鍍與催化劑相同的金屬，如果采用貴金屬催化劑，極板鍍層需要電鍍與催化劑材料相同的鍍層）。因此，使用Ni基催化劑能夠降低大型電解槽整體的制造成本。

圖7：RaneyNi和鎳網

隔膜優化，降低能耗，在保證氣體純度的情況下提高運行壓力：隔膜的主要功能是阻氣透液，目前第一代石棉膜已經淘汰（石棉在堿性電解液中的溶脹性與石棉對人體的傷害），第二代包括PBI、PPS（聚苯硫醚）等，PPS織物有著耐熱性能優異、機械強度高、電性能優良的特點，但是PPS織物的親水性太弱，如果只用PPS織物作為隔膜，會造成電解槽內阻過大，因此需要對PPS織物進行改性，增強其親水性。目前，行業內廣泛使用的隔膜為PPS織物 無機層涂覆的新型復合隔膜，復合隔膜是在PPS基底兩面涂覆漿料構成的，PPS織物作為基底能夠提供一定的物理支撐作用，表面涂覆漿料中含有二氧化鋯和聚合物，其中二氧化鋯等無機氧化物納米顆粒是改善其親水性的主要物質，通過改善隔膜的親水性，提高隔膜與電解液的相容性，降低電解槽的內阻；

圖8：復合隔膜結構示意圖

研究大規模可再生能源匹配的制氫技術；

實現規模化、自動化、智能化，大幅降低制造成本。

2）PEM電解水制氫

堿式電解槽相比，PEM電解槽用質子交換膜代替了石棉膜、PPS膜，傳導質子，并隔絕電極兩側的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點。質子交換膜一般使用全氟磺酸膜，傳遞質子，隔絕開陰陽極生成的氣體，并阻止電子的傳遞。PEM電解槽的結構類似燃料電池電堆，主要由膜電極（質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）、雙極板構成，但在材料用量和加工工藝兩者有所差異。PEM電解槽的電解質為固體質子交換膜，氫氣滲透率較低，產生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣，工藝簡單，安全性高；電流密度高（＞1A/cm2），電解槽運行電流密度通常至少是堿水電解槽的3-4倍以上；采用零間距結構，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調控范圍大，氫氣輸出壓力可達數MPa，可以適應快速變化的可再生能源電力輸入。

表2：PEM電解槽和PEM電堆材料異同

PEM電解技術和大規模推廣難點主要體現在以下幾方面：

陽極催化劑——低銥、耐酸、高活性的析氧催化劑成為業內的主要研究方向。PEM電解水電極反應中，商業化的 Pt 基催化劑可直接用于 PEM 水電解陰極的析氫反應，陽極析氧反應極化遠高于陰極析氫反應的極化，是影響電解效率的重要因素。電化學極化主要與電催化劑的活性相關，選擇高活性的催化劑、改善電極反應的三相界面有利于降低電化學極化。

圖9：電解槽電壓與電流：析氧過電勢高

陽極反應環境惡劣：強酸、強腐蝕，對陽極析氧催化劑酸穩定性要求極高：PEM電解水陽極側析出的原子氧具有強氧化性，對陽極側的催化劑載體與電解池材料的抗氧化與耐腐蝕要求較高；陽極析氧過電勢高：析氧反應是PEM電解水的瓶頸反應，析氧過電勢是影響反應效率的主要因素，要求陽極催化劑具有較高的催化活性；理想的析氧電催化劑應具有高的比表面積與孔隙率、高的電子傳導率、良好的電催化性能、長期的機械與電化學穩定性、小的氣泡效應、便宜可用與無毒性等，因此Ir、Ru等貴金屬/氧化物以及以它們為基的二元、三元合金/混合氧化物是較為理想的催化劑材料。銥產量限制：目前PEM電解槽的Ir用量往往超過2mg/cm2，預計2030年裝機30GW電解槽時需要15-30噸銥，是目前年產量的2-4倍，因為Ir、Ru的價格昂貴且資源稀缺，低銥含量是必然的方向。

圖10：全球銥供需情況

圖11：吉大研發出銥含量28%的鈣鈦礦結構低銥催化劑

陽極氣體擴散層：PEM水電解的擴散層多采用 Ti 基材料并進行耐腐蝕表面處理，以抵抗析氫、析氧條件下的腐蝕問題，擴散層材料本身既涉及歐姆極化，擴散層結構又與擴散極化相關，需要綜合考慮。目前使用的鈦纖維氈主要有以下幾個問題：鈦纖維氈的流體通過性差：鈦纖維氈板內部空隙結構復雜，沒有規律性，導致氣體和水在其內部的流體阻力較大，流體通過性較差，影響整個電解反應效率；鈦纖維氈與膜電極接觸效率低：鈦纖維氈表面不規則，且孔隙率較大，導致在與膜電極表面催化的接觸為線接觸，接觸效率低，活性點位少，降低了催化反應速度；導致質子交換膜厚度難以降低：鈦纖維氈板表面孔隙較大且孔徑大小不一，為了防止質子交換膜在高壓反應下剪切破壞，必須使用比孔徑更大的厚度的質子交換膜，膜越厚，膜電阻越大。Ti基材本身的成本與表面處理材料的成本在 PEM 電堆中占比較大，改造的方法更多是在制造工藝上，如氫克新能源采用的高有序化直通孔結構陽極氣體擴散層制造工藝（包括采用激光雕刻和金剛線切割等）可低成本規模化量產鈦纖維氈板。

圖12：電解槽電壓與電流：組件和膜電阻高

圖13：陽極氣體擴散層內部結構較雜亂

3）固體氧化物電解水制氫

SOEC電解水技術采用固體氧化物作為電解質材料，陰極材料選用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ，陽極材料選用鈣鈦礦氧化物等非貴金屬催化劑，常用電解質為YSZ基氧離子導體或BZCY基質子導體，可在700-1000℃的高溫下工作，具有能量轉化效率高且不需要使用貴金屬催化劑等優點。根據水分解熱力學性質與溫度的關系，高溫操作條件下電解水反應能夠在熱中性電壓下進行，因此如果制氫現場有高質量的廢熱源，通過合理的熱回收，制氫過程所需要的總能量（焓變ΔH）可由電能（吉布斯自由能變ΔG）與熱能（TΔS）共同提供，降低了電能的需求，使得整體電效率大大提升，可以達到甚至超過100%。此外，較高的操作溫度也大大降低了析氧、析氫兩個半反應的過電位，使高溫電解制氫具有天然的高效率優勢，也避免了貴金屬催化劑的使用。

圖14：水分解制氫反應熱力學能量與溫度的關系

圖15：三種類型電解水制氫性能區間與熱中性電壓關系圖

目前SOEC技術國內外僅在實驗室和通過小型示范規模發展，SOEC對材料要求比較嚴苛，在電解的高溫高濕條件下，常規材料的氧電極在電解模式下存在嚴重的陽極極化和易發生脫層，氧電極電壓損失遠高于氫電極和電解質的損失，因此需要開發新材料和新氧電極以降低損失。此外，在電堆集成方面，需要解決在SOEC高溫高濕條件下玻璃或玻璃-陶瓷密封材料壽命顯著降低的問題。

SOEC理論電解制氫效率與產氫速率跟高，不使用貴金屬催化劑，未來降本空間大，但由于技術水平尚不成熟，壽命低，目前其投資成本比較高昂，商業化大規模使用尚不成熟，同時對高溫熱源的需求可能也會限制SOEC的長期經濟可行性。

3、需求端星辰大海，供給端群雄逐鹿

據彭博新能源財經（BNEF）統計，2020年全球完成電解槽項目裝機200MW，2021年達到458MW，2022年電解槽出貨量將至少是21年四倍，達到1.8-2.5GW，其中中國將占總需求的62-66%，堿性電解槽因經濟效益更好將繼續主導市場，2022年市場份額為80%以上。到2030年，全球累計裝機量會超過40GW。據香橙會氫能數據庫統計，全球已有約70個在建中的綠氫項目，其中吉瓦級項目22個，主要分布在歐洲（11個）和澳大利亞（7個），中東和南美也有巨大潛力，全球規劃中的吉瓦級綠氫項目產能合計144.1GW，其中歐洲和澳大利亞占了接近93%，處于絕對領先。中國氫能聯盟發布《可再生氫100行動倡議》，力爭到2030年實現國內可再生能源制氫裝機規模達到100GW。據國際能源署可持續發展情景預測，到2070年，全球對氫氣的需求預計將在目前的基礎上增長7倍，達到5.2億噸。可以看到隨著綠氫需求增加，短期看電解槽市場整體將處于供不應求狀態。

圖16：全球規劃綠氫制造項目

在電解槽旺盛需求預期驅動下，國內外企業加速擴產，其中國內公司以堿性電解槽擴產為主：2022年，中船718將把現有產能提升1倍至1.5GW，隆基由500MW提升至1.5GW，并計劃在未來5年內產能將達到5-10GW；海外康明斯、ITMPower等公司擴產以PEM電解槽擴產為主。預計2022年全球電解槽產能13.5GW，其中堿性電解槽產能9.9GW，占比74%，PEM電解槽3.6GW，占比26%。

圖17：全球電解槽產能統計

除了原有企業擴產外，氫能巨大的市場空間也吸引了諸多老牌企業，德國的Thyssenkrupp、美國的HoneywellInternational，國內企業如華電、國富氫能等新進入者也紛紛宣布要進入電解槽市場。在雙碳目標下，綠氫在深度脫碳和全社會行業去碳化路上的關鍵性作用毋庸置疑，電解槽作為綠氫制備的核心設備，僅過去一年，國內就新增幾十家電解槽企業。在眾多資本的加持下，綠氫降本速度將有望提升，預計到2030年，國內堿性電解槽的成本將從目前的2000元/kW降至700-900元/kW，到2050年，可降至530-650元/kW，預計“十四五”期間可再生能源平均上網電價將降低到0.25元/kWh以下，對應綠氫成本可降至15元/kg以下，BloombergNEF預測指出到2050年綠氫價格將低于天然氣、灰氫和藍氫，屆時綠氫成本將較現在降低85%，低于1美元/kg。對于國內電解槽企業，尤其是新進入的企業來說，電解槽行業本質是一個產品 工程 品牌營銷能力的行業模式，持續的研發和專業人才培養，產能建設&產品交付能力以及工藝的積累是各家能否最終勝出的關鍵。