隨著“雙碳”政策的不斷推進(jìn)和深化，可再生能源電力成本的降低，氫燃料電池汽車的規(guī)模化推廣和氫能市場的逐漸成熟，市場對(duì)氫氣的需求呈爆發(fā)式增長，綠氫成為氫能發(fā)展的必經(jīng)之路。氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長，綠氫制取率先受益。隨著國家政策的不斷加碼和綠氫制取技術(shù)的不斷進(jìn)步，電解水制氫成為制取綠氫的重要方法。隨著電解水制氫規(guī)模的提升，電解槽市場也迅速增長。

那么什么是電解槽？

電解槽有哪幾種類型？

電解槽發(fā)展到現(xiàn)在到了什么階段？

電解槽的定義

電解槽是水電解制取氫氣和氧氣的主要設(shè)備。電解槽由槽體、陽極和陰極組成，多數(shù)用隔膜將陽極室和陰極室隔開。當(dāng)直流電通過電解槽時(shí)，在陽極與溶液界面處發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極與溶液界面處發(fā)生還原反應(yīng)，以制取所需產(chǎn)品。

 

電解槽的主要類型

根據(jù)不同技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，電解槽可分為堿性電解槽（ALK）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）、陰離子交換膜電解槽（AEM）和固態(tài)氧化物電解槽（SOEC）四種類型。?

電解槽的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理

四種類型的電解槽技術(shù)特點(diǎn)不同，構(gòu)成結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理也各不相同。

1、堿性電解槽

堿性制氫電解槽的結(jié)構(gòu)，主要有隔膜、正/負(fù)極網(wǎng)、極板、極框、墊片、緊固螺桿與螺母、端板等。

從結(jié)構(gòu)上看，堿性電解槽的組裝跟氫燃料電池電堆類似，在端板的基礎(chǔ)上，逐一裝配極板、支撐網(wǎng)、負(fù)極網(wǎng)、隔膜、正極網(wǎng)、支撐網(wǎng)、極框、墊片，再以此重復(fù)，最后裝上另一端的端板，用緊固螺桿固定。

另外，極框在經(jīng)過粗、精立車后與極板焊接，再與鎳絲網(wǎng)焊接，而隔膜、極板、鎳網(wǎng)、墊片均需切割后組裝。

電極、隔膜和密封墊片是堿性電解槽的關(guān)鍵材料。電極通常采用鎳網(wǎng)或泡沫鎳，其性能對(duì)電流密度和電解效率有決定性影響，其成本約占系統(tǒng)成本的28%；隔膜用于將兩極隔離開，要求保障氣密性的同時(shí)，降低電阻以減少電能損耗，密封墊片用于解決極片之間的絕緣問題，其絕緣性能對(duì)電解效率、安全、系統(tǒng)使用壽命均有影響。

2、PEM電解槽

電解槽是電解反應(yīng)制氫的核心裝置，PEM電解槽采用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，結(jié)構(gòu)和性能具有一定優(yōu)勢(shì)。PEM電解槽同樣由多個(gè)電解單元堆疊而成，每個(gè)單元均由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層和雙極板構(gòu)成。

PEM電解槽使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，替代了堿性電解槽使用的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)(KOH溶液)，內(nèi)阻更小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊，電解效率大幅提高，規(guī)模選擇也更為靈活。

 

3、固體氧化物電解槽（SOEC）：

SOEC槽體原理：

這類電解槽在高溫（700-850℃）下工作。優(yōu)點(diǎn)是有利的動(dòng)力學(xué)條件，使用相對(duì)便宜的鎳電極成為可能；減少了電力需求，部分用于分解水的能量可通過熱能獲得（可以利用余熱，基于電力計(jì)量的表觀效率可以高于 100%）；可逆性潛力（作為燃料電池和電解槽工作），二氧化碳和水同步電解生成合成氣。缺點(diǎn)是：熱化學(xué)循環(huán)會(huì)加快劣化和縮短使用壽命，特別是在停機(jī)/啟動(dòng)期間。導(dǎo)致電堆性能下降的其他問題還包括：高氣壓差下的密封難題；使用二氧化硅作為密封劑造成電極污染；以及其他來自管道、連接件和密封的污染源。目前 SOEC部署僅限于kW級(jí)別， 也有一些示范項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到1 MW。

SOEC系統(tǒng)原理：

4、陰離子交換膜（AEM）：

AEM槽體結(jié)構(gòu)原理

這是一項(xiàng)最新的技術(shù)，目前只有少數(shù)幾家公司正在進(jìn)行商業(yè)化推廣，且落地項(xiàng)目很少。AEM 的潛力在于避免了堿性電解槽的惡劣堿性運(yùn)行環(huán)境，并與 PEM 電解槽的簡單高效特性相結(jié)合。

這類電解槽可以使用非貴金屬催化劑、不含鈦組件，同 PEM 一樣可在差壓下工作。事實(shí)上 AEM 膜存在化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致電解槽使用壽命不穩(wěn)定。另由于 AEM 電導(dǎo)率低、電極結(jié)構(gòu)差、催化劑動(dòng)力學(xué)緩慢等原因，所以性能也不如預(yù)期的理想。

一般電解質(zhì)性能可通過調(diào)整 AEM 膜的電導(dǎo)率性能或增加支持電解質(zhì)（如 KOH 或碳酸氫鈉[NaHCO3]）方法得到提高。然而，如此調(diào)整可能會(huì)降低電解槽的耐用性。本質(zhì)上，OH-離子比 PEM內(nèi)部的 H+質(zhì)子慢三倍（電導(dǎo)率低）， 因此 AEM 開發(fā)商需要制造出更薄的或具有更高電荷密度的 AEM 電解質(zhì)膜。

AEM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

電解槽優(yōu)缺點(diǎn)

了解了電解槽的構(gòu)造，每種類型電解槽都具備各自的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。堿性電解槽以其穩(wěn)健性和低成本著稱，PEM電解槽因其高效性而備受關(guān)注，SOEC憑借熱能利用的高效性成為未來工業(yè)應(yīng)用的強(qiáng)勁選手，而AEM則作為一項(xiàng)新興產(chǎn)品。

1. 堿性電解槽?優(yōu)點(diǎn):制造相對(duì)容易，電極面積可達(dá)3平方米。?使用壽命超過30年，維護(hù)成本低。使用0.252毫米厚的隔膜減少氣體混合，提高電流密度。缺點(diǎn):由于氣體混合，可能導(dǎo)致效率下降。?盡管現(xiàn)代設(shè)計(jì)提高了電流密度，但與PEM技術(shù)相比仍有差距。

2. 質(zhì)子交換膜電解槽優(yōu)點(diǎn):?使用全氟磺酸膜，可在低電阻下實(shí)現(xiàn)高電流密度。適合大規(guī)模應(yīng)用，尤其是在氧氣側(cè)大氣壓下氫氣側(cè)壓力高達(dá)70巴。缺點(diǎn):高材料成本（如銥、鉑、鈦）導(dǎo)致成本較高。?對(duì)水中的雜質(zhì)（如鐵、銅、鉻和鈉）非常敏感，容易發(fā)生鈣化。

3. 固體氧化物電解槽優(yōu)點(diǎn):在700-850°C下運(yùn)行，有助于加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。可以使用相對(duì)便宜的鎳電極，部分能量通過熱能提供。缺點(diǎn):?高溫運(yùn)行導(dǎo)致材料更快降解，使用壽命較短。?主要應(yīng)用于千瓦級(jí)系統(tǒng)，部分示范項(xiàng)目已達(dá)兆瓦級(jí)。

4. 陰離子交換膜電解槽優(yōu)點(diǎn):?結(jié)合了堿性電解槽的溫和操作環(huán)境和PEM電解槽的高效設(shè)計(jì)。可以使用非貴金屬催化劑和無鈦組件。缺點(diǎn):存在化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致使用壽命不穩(wěn)定。?電導(dǎo)率低、電極結(jié)構(gòu)差、催化劑動(dòng)力學(xué)緩慢。

主流電解槽的性能要求及選擇順序

電解槽是電解水制氫的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和效率直接影響到氫能的產(chǎn)量以及能源的消耗。目前，國內(nèi)主流電解槽性能要求：高氫氣純度、低能耗、結(jié)構(gòu)簡單、制造與維修方便且成本低廉、使用壽命長、材料利用率高。

中國主流電解槽產(chǎn)業(yè)成熟度順序：ALK> PEM >?AEM> SOEC ；

ALK電解槽：規(guī)模化制氫首選，存在問題包括低制氫效率、過程污染和高耗電量，未來有降本空間；

PEM電解槽：商業(yè)化初期，效率比ALK高，耗電量較低，適合風(fēng)光發(fā)電氫能制取，但成本高（貴金屬使用）且產(chǎn)氫規(guī)模較小，未來需降低成本和擴(kuò)大規(guī)模；

AEM電解槽：結(jié)合ALK造價(jià)優(yōu)勢(shì)和PEM效率優(yōu)勢(shì)，具有成本低和高效制氫的潛力，但陰離子交換膜研發(fā)難度大，目前仍在實(shí)驗(yàn)室階段；

SOEC電解槽：處于實(shí)驗(yàn)室放大階段，800°C以上環(huán)境下效率最高，但造價(jià)成本遠(yuǎn)超ALK和PEM，并且可逆反應(yīng)特性使其在未來氫儲(chǔ)能領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

電解槽的應(yīng)用前景

隨著全球能源轉(zhuǎn)型和氫能經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電解槽市場的需求正在不斷增長。

國內(nèi)市場方面，據(jù)TrendBank預(yù)計(jì)，到2025年，我國綠色可再生氫氣的需求量將達(dá)到130萬噸，而2023-2025年的電解水制氫設(shè)備累計(jì)出貨量預(yù)計(jì)達(dá)到17GW以上。假設(shè)堿性電解槽占比85%，PEM電解槽占比15%，預(yù)計(jì)2023-2025年電解槽累計(jì)市場空間達(dá)320.3億元，其中堿性電解槽市場空間達(dá)216.8億元，PEM電解槽市場空間達(dá)103.5億元。

全球市場方面，預(yù)計(jì)到2030年，全球電解槽累計(jì)市場空間將接近2000億元。根據(jù)IEA的預(yù)測(cè)，2022年全球電解槽裝機(jī)容量已達(dá)1.4GW，其中中國占比約40%，歐洲占比三分之一左右。預(yù)計(jì)到2030年，全球電解槽裝機(jī)容量將達(dá)到134GW，其中堿性電解槽占比64%，PEM電解槽占比22%，SOEC占比4%。經(jīng)測(cè)算，我們預(yù)計(jì)到2030年，全球電解槽市場空間將達(dá)1937.6億元，其中堿性電解槽市場空間達(dá)1029.1億元，PEM電解槽市場空間達(dá)854.9億元，SOEC市場空間達(dá)53.6億元。

電解槽相關(guān)企業(yè)

電解槽需求前景廣泛，據(jù)TrendBank統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)已有超百家企業(yè)布局或規(guī)劃堿性電解槽的研發(fā)或生產(chǎn)。但目前僅有少數(shù)企業(yè)具備兆瓦級(jí)制氫設(shè)備的生產(chǎn)能力。

1.陽光氫能

陽光氫能作為陽光電源的子公司，專注于可再生能源電解水制氫技術(shù)的研究，陽光氫能是國內(nèi)極少數(shù)兼具堿性與PEM兩種制氫技術(shù)的企業(yè)，在國內(nèi)多個(gè)制氫項(xiàng)目中也提供了制氫系統(tǒng)全套解決方案。2024年陽光氫能智能制造中心投用，引進(jìn)國內(nèi)首條先進(jìn)的電解槽自動(dòng)化裝配產(chǎn)線，帶動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展。

陽光氫能堿性水電解制氫設(shè)備可提供 1000?標(biāo)方/小時(shí)及以上柔性制氫設(shè)備，通過優(yōu)化電極、隔膜、結(jié)構(gòu)和流程等，實(shí)現(xiàn)更低能耗、更優(yōu)動(dòng)態(tài)性能，針對(duì)大規(guī)模制氫項(xiàng)目推出多對(duì)一解決方案。PEM 電解槽單體可達(dá)到 300?標(biāo)方/小時(shí)氫，在工作壓力、電流密度和直流電耗上比堿水電解槽更有優(yōu)勢(shì)，整體性能更優(yōu)。

2.穩(wěn)石氫能

深圳穩(wěn)石氫能科技有限公司是第三代電解水制氫技術(shù)的代表企業(yè)，也是全球唯一一家從膜到催化劑到膜電極、再到控制系統(tǒng)和系統(tǒng)集成，產(chǎn)研一體的AEM電解水制氫裝備企業(yè)。穩(wěn)石氫能擁有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能陰離子交換膜制備技術(shù)、AEM高效雙金屬催化劑制備技術(shù)、高效OER和HER電極制備技術(shù)、電解器系統(tǒng)集成系統(tǒng)控制技術(shù)。穩(wěn)石氫能AEM電解水制氫技術(shù),集合了ALK與PEM制氫技術(shù)優(yōu)勢(shì),開創(chuàng)了低成本、高效率制氫的技術(shù)先河,同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度快,熱啟動(dòng)時(shí)可在60秒內(nèi)達(dá)到100%功率運(yùn)行，深度適配清潔能源應(yīng)用場景。

3.天合元?dú)?/strong>

江蘇天合元?dú)淇萍加邢薰荆`屬于天合集團(tuán)，是以電解水制氫技術(shù)為核心的裝備制造企業(yè)。天合元?dú)涮烨嫦盗袎A性制氫裝備成功入選2024年蘇錫常首臺(tái)（套）重大裝備名單。天擎系列堿性電解水制氫裝備，系天合元?dú)洫?dú)立自主研發(fā)，具備安全可靠、穩(wěn)定低載、超長壽命、滿載保障、優(yōu)質(zhì)高效的特點(diǎn)。擁有30%-110%的寬功率波動(dòng)制氫能力，電流密度較常規(guī)產(chǎn)品提升30%。

4.未來氫能

未來氫能科技是一家國際化氫能源技術(shù)和裝備的國家級(jí)高科技公司，公司聚焦研發(fā)和生產(chǎn)全自主產(chǎn)權(quán)新一代AEM制氫技術(shù)的關(guān)鍵材料及制氫設(shè)備。未來氫能AEM電解槽采用全自主研發(fā)核心材料和非貴金屬催化劑，變載范圍大，功率較國外同類產(chǎn)品提升一倍多，可滿足5kw的應(yīng)用場景需求。未來氫能的產(chǎn)品在1.8 v電壓情況下，電解槽電流密度可達(dá)2A/cm2，同時(shí)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異。產(chǎn)品目前已經(jīng)通過超8000小時(shí)的運(yùn)行測(cè)試，衰減率小于10μV。

2024年11月，未來氫能發(fā)布具有全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AEMCat. HER陰極催化劑、AEMWE HER陰極電極、AEMWE OER陽極電極三款產(chǎn)品。

5.氫銳科技

上海氫銳科技有限公司核心技術(shù)與團(tuán)隊(duì)源自于中國科學(xué)院上海高等研究院，專注于質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用及解決方案。公司“系列高效PEM電解槽”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從5標(biāo)方到250標(biāo)方的批量制造，單槽最大產(chǎn)氫量可達(dá)250Nm3/h。其中，采用115膜電極的電解槽產(chǎn)品，在1.5A電密下能耗4.1千瓦時(shí)可生產(chǎn)氫氣1標(biāo)方；采用80微米膜的電解槽產(chǎn)品2A電密下能耗4.1千瓦時(shí)生產(chǎn)氫氣1標(biāo)方。值得注意的是，由于氫銳科技的電解槽具有高一致性，極差小于30mV，耐受壓差為1.6MPa。

6.安思卓新能源

安思卓新能源由發(fā)源于美國的全球氫能領(lǐng)先的技術(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立，致力于氫能源全產(chǎn)業(yè)鏈核心設(shè)備的技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)，公司掌握世界前沿的可再生能源耦合電解水制氫技術(shù)，擁有100多項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可以在各種惡劣和不穩(wěn)定環(huán)境下高效生產(chǎn)。

在新能源制氫和儲(chǔ)氫領(lǐng)域，已掌握“將不穩(wěn)定的可再生能源完全高效轉(zhuǎn)化為氫能”的核心專利技術(shù)，并開發(fā)出具有全流程仿真正向設(shè)計(jì)開發(fā)能力的模塊化產(chǎn)品。公司成功研發(fā)出最大功率的集裝箱式綠氫電解槽，擁有最低的滿負(fù)荷制氫直流電耗，實(shí)現(xiàn)了最長周期的綠氫安全運(yùn)行業(yè)績。

7.氫輝能源

氫輝能源（深圳）有限公司，是一家專注于質(zhì)子交換膜 (PEM) 電解水制氫關(guān)鍵材料及部件的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及技術(shù)服務(wù)的企業(yè)。公司自成立以來，已成功實(shí)現(xiàn)多個(gè)核心部件的批量化生產(chǎn)，多項(xiàng)技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)、國際領(lǐng)先。包括開發(fā) 80~100 微米 BriPEM?雙增強(qiáng)型質(zhì)子交換膜 (PEM)、BriMEA?多重抗?jié)B氫膜電極 (MEA)、適用于不同應(yīng)用場景的高性能、長壽命大 / 中 / 小型 BriLyzer?PEM 電解槽。

8.考克利爾競立

考克利爾競立，全稱考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司，專注于從事各類行業(yè)制氫設(shè)備的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，尤其是堿性水電解制氫設(shè)備。截至目前，考克利爾競立已經(jīng)接連出廠國際首臺(tái)套產(chǎn)氫量1200Nm3/h、1300Nm3/h的制氫設(shè)備，在設(shè)備大型化方面領(lǐng)先全球。考克利爾競立的堿性電解槽還有副電極超大的比表面積、氣體出口槽面法蘭連接、“覆鎳合金”專利技術(shù)制造等優(yōu)勢(shì)。

素材來源：各企業(yè)官網(wǎng)?艾邦綜合網(wǎng)等