引言：“中國(guó)當(dāng)下主流的制氫方式仍然是煤制氫，但在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，與可再生能源相結(jié)合的電解水制氫技術(shù)將是制備綠色氫能的主要方式，也必將成為未來(lái)氫能源制備市場(chǎng)的主流。堿水制氫作為電解水制氫市場(chǎng)的重要組成部分，在新時(shí)代雙碳背景下取得了諸多新進(jìn)展，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化潛力進(jìn)一步增大”。
7000億電解水制氫市場(chǎng)
中國(guó)當(dāng)下主流的制氫方式仍然是煤制氫，但在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，與可再生能源相結(jié)合的電解水制氫技術(shù)將是制備綠色氫能的主要方式，也必將占據(jù)未來(lái)絕大部分的氫能源制備市場(chǎng)。
目前來(lái)看，因?yàn)槌杀締?wèn)題，電解水制氫與其他制氫路線相比競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較小，但隨著技術(shù)發(fā)展及電解水制氫規(guī)模增加，電解水制氫設(shè)備成本降價(jià)空間較大。
根據(jù)國(guó)際能源研究中心數(shù)據(jù)，2050年電解水制氫市場(chǎng)份額有望從現(xiàn)階段的不到1%提高至70%，電解系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可以超過(guò)7000億。
在此背景下，包括寶豐能源、隆基股份、陽(yáng)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(wù)。
主流的電解水制氫技術(shù)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(shù)發(fā)展已經(jīng)超過(guò)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(shù)特點(diǎn)
堿水制氫電解槽制造過(guò)程中不使用貴金屬資源，成本低，同時(shí)還具有工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，這使得堿水電解制氫成為現(xiàn)階段電解水制氫市場(chǎng)最主要的技術(shù)路線。
堿水電解制氫技術(shù)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(chǎng)的重要組成部分。
經(jīng)過(guò)近30年的積累，中國(guó)企業(yè)在壓力型堿水電解裝備制造領(lǐng)域逐步取得了國(guó)際領(lǐng)先的地位。
相關(guān)企業(yè)的堿水制氫業(yè)務(wù)有業(yè)績(jī)，電解槽產(chǎn)品有長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，部分企業(yè)電解槽已有10年以上的運(yùn)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(jìng)力、天津大陸，以及新勢(shì)力——隆基氫能，陽(yáng)光氫能等。
表1 不同電解水制氫路線特點(diǎn)
（來(lái)源：The future of Hydrogen, Report by IEA for G20 Japan, 2019）
堿水制氫電解裝置主要由強(qiáng)堿性電解液、多孔的陰極/陽(yáng)極、隔膜部件組成。
其中，水分子在陰極被分解為陽(yáng)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(chǎng)作用下穿過(guò)隔膜材料，到達(dá)陽(yáng)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(huì)帶有堿液，因此，對(duì)產(chǎn)出的氣體要進(jìn)行脫堿霧處理。
圖1 堿水制氫裝置圖（來(lái)源：能源情報(bào)）
傳統(tǒng)觀點(diǎn)中堿水制氫的局限性——
一直以來(lái)，公眾認(rèn)知中堿水制氫的局限性主要有以下幾點(diǎn)：
（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(yīng)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(dòng)性的可再生能源配合。
（3）堿性電解液，以KOH為例，與空氣中CO2反應(yīng)會(huì)形成不溶于水的碳酸鹽，進(jìn)一步堵塞多孔催化層，降低電解槽性能。
堿水制氫新技術(shù)
新材料
電解槽性能的提升、成本的降低，離不開(kāi)對(duì)材料的新開(kāi)發(fā)、新研究。
其中，天津大陸與有關(guān)單位共同開(kāi)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(jìn)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(guān)企業(yè)在電解槽其他核心部件的新材料也取得了較大進(jìn)展。
以新型電極材料開(kāi)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(dá)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(shù)基礎(chǔ)。
天津大陸在電解槽墊片開(kāi)發(fā)上也取得了新進(jìn)展，其電解槽墊片采用經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證的高強(qiáng)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(qiáng)度比普通墊片材料高一倍以上，耐壓強(qiáng)度高最高可達(dá)5.0 MPa，比國(guó)內(nèi)其他廠家的堿性電解水設(shè)備出口壓力1.6 MPa更高，可有效降低增壓系統(tǒng)帶來(lái)的電耗，對(duì)于制氫設(shè)備直接耦合化工領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。
同類型公司在絕緣墊片開(kāi)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(qiáng)的特點(diǎn)，技術(shù)可靠，已在更嚴(yán)苛場(chǎng)景驗(yàn)證多年，適合電解槽在反復(fù)開(kāi)停機(jī)條件下使用，壽命更長(zhǎng)久。
新制造
制造方式的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)電解槽降成本的另一重要方式。過(guò)去由于應(yīng)用領(lǐng)域有限，市場(chǎng)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(yīng)的訂單制造為主。
隨著電解水市場(chǎng)的擴(kuò)大，水電解新勢(shì)力在生產(chǎn)方式上進(jìn)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(dòng)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(guān)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)電解槽極板的半自動(dòng)化加工生產(chǎn)，流程涉及極框輥圓、坡口焊接、焊縫檢測(cè)、消應(yīng)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(shí)，大大提高了制造效率、降低了成本。
新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)
在目前應(yīng)用最為廣泛的1000 Nm3/h電解槽上，各公司對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了新開(kāi)發(fā)，代表性的有——
（1）電極連接方式上由“1正2負(fù)”向“1正1負(fù)”發(fā)展，具有成本低，連接簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)；
（2）極板設(shè)計(jì)上，由傳統(tǒng)乳突極板向平極板/不銹鋼網(wǎng)/焊接鎳網(wǎng)復(fù)合極板發(fā)展，對(duì)于保證氣液流動(dòng)順暢，減少氣阻具有積極影響；
（3）由原來(lái)的“1對(duì)１”（1臺(tái)電解槽對(duì)應(yīng)1套氣液分離設(shè)備）向“2對(duì)１”（2臺(tái)電解槽對(duì)應(yīng)1套氣液分離設(shè)備）、“4對(duì)１”發(fā)展，可極大降低堿水制氫的系統(tǒng)成本。
堿水制氫性能提升
更高的電堆效率
在之前的堿水制氫市場(chǎng)中，市場(chǎng)規(guī)模小，技術(shù)迭代緩慢，針對(duì)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(wèn)題。但通過(guò)近期對(duì)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(dá)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(duì)比圖
（來(lái)源：水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研究報(bào)告）
更快的響應(yīng)速度
根據(jù)天津大陸設(shè)備公司的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其堿水制氫電解槽在外加負(fù)荷產(chǎn)生變化時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的響應(yīng)速度，且對(duì)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(rèn)知，堿水電解對(duì)電源的適應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)
（來(lái)源：水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研究報(bào)告）
更好的穩(wěn)定性
依托堿水制氫較長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間，其良好的穩(wěn)定性得到了長(zhǎng)期的運(yùn)行驗(yàn)證。天津大陸公司于2018年實(shí)現(xiàn)1000標(biāo)方的電解水制氫設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行，現(xiàn)已進(jìn)行了3年多的工程技術(shù)驗(yàn)證，為國(guó)內(nèi)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)1000標(biāo)方設(shè)備。
同時(shí)，同類型企業(yè)也依托對(duì)承壓型電解水制氫技術(shù)積累深厚，高度注重新技術(shù)安全驗(yàn)證環(huán)節(jié)，近40年生產(chǎn)的1000余臺(tái)套電解槽無(wú)一起安全重大事故，技術(shù)安全穩(wěn)定性好。
結(jié)語(yǔ)
電解水市場(chǎng)發(fā)展必要性較高，潛在市場(chǎng)規(guī)模大，各上市公司紛紛開(kāi)展業(yè)務(wù)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(shù)路線具有成本低，運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，在電解水制氫市場(chǎng)具有不可替代的地位。
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，堿水制氫能源轉(zhuǎn)化效率低，電解槽響應(yīng)性差，與可再生能源適配性低，阻礙其在新能源領(lǐng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)堿水制氫電解槽的進(jìn)一步性能優(yōu)化、成本優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了堿水制氫電解槽80%左右的電解槽能效、更快的響應(yīng)速度、更高的穩(wěn)定性，對(duì)降低堿水制氫能耗、提高與其與可再生能源適配性、及進(jìn)一步降低成本具有重要意義。
未來(lái)的規(guī)模化集中式電解水制氫市場(chǎng)必將是以堿水制氫為主，PEM純水制氫與堿水制氫共同發(fā)展、相輔相成的格局。
