堿水制氫技術在雙碳目標下的新機遇

引言：“中國當下主流的制氫方式仍然是煤制氫，但在雙碳目標的驅(qū)動下，與可再生能源相結合的電解水制氫技術將是制備綠色氫能的主要方式，也必將成為未來氫能源制備市場的主流。堿水制氫作為電解水制氫市場的重要組成部分，在新時代雙碳背景下取得了諸多新進展，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化潛力進一步增大”。

文章來源：水木易德研究團隊（水木易德公眾號：yieldcapital）

本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m

7000億電解水制氫市場 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

中國當下主流的制氫方式仍然是煤制氫，但在雙碳目標的驅(qū)動下，與可再生能源相結合的電解水制氫技術將是制備綠色氫能的主要方式，也必將占據(jù)未來絕大部分的氫能源制備市場。目前來看，因為成本問題，電解水制氫與其他制氫路線相比競爭優(yōu)勢較小，但隨著技術發(fā)展及電解水制氫規(guī)模增加，電解水制氫設備成本降價空間較大。根據(jù)國際能源研究中心數(shù)據(jù)，2050年電解水制氫市場份額有望從現(xiàn)階段的不到1%提高至70%，電解系統(tǒng)市場規(guī)模預計可以超過7000億。在此背景下，包括寶豐能源、隆基股份、陽光能源等在內(nèi)的上市公司紛紛著手布局電解水制氫業(yè)務。主流的電解水制氫技術路線包括堿性電解水制氫（ALE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（SPE）及固態(tài)氧化物電解水制氫（SOEC）三種。其中，堿水制氫技術發(fā)展已經(jīng)超過百年，是目前發(fā)展最為成熟、商業(yè)化程度最高的電解水制氫方式。

堿水制氫技術特點堿水制氫電解槽制造過程中不使用貴金屬資源，成本低，同時還具有工作壽命長的優(yōu)勢，這使得堿水電解制氫成為現(xiàn)階段電解水制氫市場最主要的技術路線。堿水電解制氫技術發(fā)展最為成熟、是商業(yè)化程度最高的電解水制氫方式，其電極制造不使用貴金屬資源，成本低，是電解水市場的重要組成部分。經(jīng)過近30年的積累，中國企業(yè)在壓力型堿水電解裝備制造領域逐步取得了國際領先的地位。相關企業(yè)的堿水制氫業(yè)務有業(yè)績，電解槽產(chǎn)品有長期運行的經(jīng)驗，部分企業(yè)電解槽已有10年以上的運行經(jīng)歷，產(chǎn)品穩(wěn)定性良好。比較有代表性的堿水制氫企業(yè)包括老三家——718所、蘇州競力、天津大陸，以及新勢力——隆基氫能，陽光氫能等。表1 不同電解水制氫路線特點

本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

本@文$內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om

（來源：The future of Hydrogen, Report by IEA for G20 Japan, 2019）堿水制氫電解裝置主要由強堿性電解液、多孔的陰極/陽極、隔膜部件組成。其中，水分子在陰極被分解為陽離子和氫氧根離子，氫離子在陰極得電子生成氫氣（4e-+2H2O→H2+2OH-），而氫氧根離子在電場作用下穿過隔膜材料，到達陽極，并在此失去電子生成水分子和氧氣（4OH-→O2++2H2O+4e-）。電解出的氣體會帶有堿液，因此，對產(chǎn)出的氣體要進行脫堿霧處理。

內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

圖1 堿水制氫裝置圖（來源：能源情報）傳統(tǒng)觀點中堿水制氫的局限性——一直以來，公眾認知中堿水制氫的局限性主要有以下幾點： 內(nèi).容.來.自：中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com

（1）堿性電解槽能源轉(zhuǎn)化效率較低，一般在60%左右；

（2）堿性電解槽響應速度較慢，制氫速度難以靈活調(diào)節(jié)，難以與具有快速波動性的可再生能源配合。 本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

（3）堿性電解液，以KOH為例，與空氣中CO2反應會形成不溶于水的碳酸鹽，進一步堵塞多孔催化層，降低電解槽性能。

堿水制氫新技術

本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com

新材料

電解槽性能的提升、成本的降低，離不開對材料的新開發(fā)、新研究。其中，天津大陸與有關單位共同開發(fā)的新型高效電極在4000 A/m2的電流密度下電極電壓為1.80 V，電流密度可進一步提高到5000-6000A/m2；所研發(fā)新型隔膜也已工作十多年，與現(xiàn)行隔膜相比，該隔膜的面電阻更低，阻氣性能更好，小室電壓可降低0.03-0.05V，氧中氫的純度可提升0.1-0.2%。除此之外，相關企業(yè)在電解槽其他核心部件的新材料也取得了較大進展。以新型電極材料開發(fā)成果為例，某企業(yè)自主研發(fā)的新型電極材料可以達到5000 A/m2的電流密度值，電極電壓為1.84 V，較常規(guī)鎳網(wǎng)電極2.08 V的電壓降低13%。此自研電極材料直流單位能耗為4.4 kWh/Nm3氫氣，為電解槽更高的性能提供了技術基礎。天津大陸在電解槽墊片開發(fā)上也取得了新進展，其電解槽墊片采用經(jīng)過多年驗證的高強度的塑料合金，抗蠕變性好，安全穩(wěn)定性好，線脹系數(shù)接近鋼的線脹系數(shù)，抗壓強度比普通墊片材料高一倍以上，耐壓強度高最高可達5.0 MPa，比國內(nèi)其他廠家的堿性電解水設備出口壓力1.6 MPa更高，可有效降低增壓系統(tǒng)帶來的電耗，對于制氫設備直接耦合化工領域更具優(yōu)勢。同類型公司在絕緣墊片開發(fā)上也取得了積極成果。據(jù)了解，某代表性企業(yè)的電解槽所配備的墊片具有回彈性好、抗壓性強的特點，技術可靠，已在更嚴苛場景驗證多年，適合電解槽在反復開停機條件下使用，壽命更長久。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

新制造

制造方式的優(yōu)化是實現(xiàn)電解槽降成本的另一重要方式。過去由于應用領域有限，市場規(guī)模不大，堿水制氫電解槽生產(chǎn)制造方式以單件小批量供應的訂單制造為主。隨著電解水市場的擴大，水電解新勢力在生產(chǎn)方式上進行創(chuàng)新，如極框的帶材下料冷輥焊接工藝，極框和極板的自動焊接工藝等極大的提高了產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。據(jù)了解，相關企業(yè)已實現(xiàn)電解槽極板的半自動化加工生產(chǎn)，流程涉及極框輥圓、坡口焊接、焊縫檢測、消應力熱處理、焊接、檢漏、加工、清理毛刺等工序，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，大大提高了制造效率、降低了成本。 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

新系統(tǒng)、新結構 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

在目前應用最為廣泛的1000 Nm3/h電解槽上，各公司對電解槽結構進行了新開發(fā)，代表性的有—— 本@文$內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om

（1）電極連接方式上由“1正2負”向“1正1負”發(fā)展，具有成本低，連接簡單的優(yōu)勢； 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

（2）極板設計上，由傳統(tǒng)乳突極板向平極板/不銹鋼網(wǎng)/焊接鎳網(wǎng)復合極板發(fā)展，對于保證氣液流動順暢，減少氣阻具有積極影響； 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

（3）由原來的“1對１”（1臺電解槽對應1套氣液分離設備）向“2對１”（2臺電解槽對應1套氣液分離設備）、“4對１”發(fā)展，可極大降低堿水制氫的系統(tǒng)成本。 本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

堿水制氫性能提升 本`文-內(nèi).容.來.自：中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com

更高的電堆效率

在之前的堿水制氫市場中，市場規(guī)模小，技術迭代緩慢，針對于其隔膜、催化劑、電極等部件優(yōu)化程度較低，造成產(chǎn)氣效率較低的問題。但通過近期對代表性企業(yè)堿水制氫電解槽產(chǎn)品的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，目前的電堆能效普遍可以達到80%的水平，較之前提升較高。表2 代表性企業(yè)堿性電解槽產(chǎn)品參數(shù)對比圖 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

（來源：水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術研究報告）

更快的響應速度 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

根據(jù)天津大陸設備公司的實驗數(shù)據(jù)，其堿水制氫電解槽在外加負荷產(chǎn)生變化時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)秒級的響應速度，且對電解槽溫度、液位、壓力等參數(shù)影響較小。區(qū)別于之前的傳統(tǒng)認知，堿水電解對電源的適應能力，是可以適配大部分的可再生能源的電源需求的。圖2 大陸制氫堿性制氫系統(tǒng)動態(tài)響應 內(nèi).容.來.自：中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com

本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

（來源：水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術研究報告） 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

更好的穩(wěn)定性

依托堿水制氫較長的發(fā)展時間，其良好的穩(wěn)定性得到了長期的運行驗證。天津大陸公司于2018年實現(xiàn)1000標方的電解水制氫設備生產(chǎn)運行，現(xiàn)已進行了3年多的工程技術驗證，為國內(nèi)運行時間最長1000標方設備。同時，同類型企業(yè)也依托對承壓型電解水制氫技術積累深厚，高度注重新技術安全驗證環(huán)節(jié)，近40年生產(chǎn)的1000余臺套電解槽無一起安全重大事故，技術安全穩(wěn)定性好。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

結語電解水市場發(fā)展必要性較高，潛在市場規(guī)模大，各上市公司紛紛開展業(yè)務布局。堿水制氫作為目前發(fā)展最為成熟的電解水制氫路線，相較其他電解水制氫技術路線具有成本低，運行可靠，壽命長的優(yōu)勢，在電解水制氫市場具有不可替代的地位。傳統(tǒng)觀點認為，堿水制氫能源轉(zhuǎn)化效率低，電解槽響應性差，與可再生能源適配性低，阻礙其在新能源領域的發(fā)展。在此背景下，各堿水制氫企業(yè)，借助新材料、新制造、新系統(tǒng)、新結構實現(xiàn)對堿水制氫電解槽的進一步性能優(yōu)化、成本優(yōu)化，實現(xiàn)了堿水制氫電解槽80%左右的電解槽能效、更快的響應速度、更高的穩(wěn)定性，對降低堿水制氫能耗、提高與其與可再生能源適配性、及進一步降低成本具有重要意義。未來的規(guī)?；惺诫娊馑茪涫袌霰貙⑹且詨A水制氫為主，PEM純水制氫與堿水制氫共同發(fā)展、相輔相成的格局。 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

【版權聲明】本網(wǎng)為公益類網(wǎng)站，本網(wǎng)站刊載的所有內(nèi)容，均已署名來源和作者，僅供訪問者個人學習、研究或欣賞之用，如有侵權請權利人予以告知，本站將立即做刪除處理（QQ：51999076）。