堿式電解槽結構相對簡單、技術成熟度高，目(mu)前國內已有(you)超過(guo)40余家(jia)廠(chang)商(shang)推出了堿式(shi)電解(jie)槽，其中公布規模達1000 Nm3/h及以上電解槽也已有數十家，從公布的信息來看，其結構與性能(neng)多數(shu)大同小異，行業“內卷(juan)”嚴(yan)重。氫能產業的快速發展對電解槽產品提出了更高的要求，堿式制氫電解槽其結構、材料等方面的設計仍有較大的優化空間，未來堿性制氫電解槽(cao)即將進入(ru)新(xin)一輪技術及市場(chang)競爭階(jie)段。能景研(yan)究結合了國內外(wai)堿性(xing)電(dian)解(jie)(jie)槽技(ji)術發(fa)(fa)展的(de)現(xian)狀及(ji)趨(qu)勢(shi)，為行業內解(jie)(jie)讀下一步堿性(xing)電(dian)解(jie)(jie)槽的(de)技(ji)術發(fa)(fa)展方(fang)向，供行業參考。

01 國際上堿性電解槽仍不斷演進

海外的堿(jian)性電解槽(cao)發(fa)展歷(li)史相對更久(jiu)，早(zao)在(zai)上世紀便已有1000 Nm3/h電解槽(cao)產品，且其(qi)(qi)電極、隔膜等(deng)都已經過了多次(ci)技(ji)術迭代(dai)。其(qi)(qi)中，Nel、蒂森(sen)克虜伯等(deng)企業的堿(jian)性制(zhi)氫電解槽(cao)最具(ju)代(dai)表性。

不斷進(jin)行電極與隔膜(mo)的技術迭代。以Nel為例，Nel自上世紀20年代便開始從事制氫電解槽的研發生產，其使用的隔膜從石棉材質一直發展到如今的聚合物復合材料，電極方面則開發出了新型非貴金屬活化技術。Nel如今的A系列堿性電解槽采用了復合隔膜，厚度在500 μm以下，面電阻在250 mΩ/cm2左右；陰極采用Raney Ni基底多元涂層催化劑（NiMo合金等），陽極采用活化鎳，有效降低過電位。綜合下來，Nel的A系列堿性電解槽直流電耗低達3.8-4.4 kWh/Nm³，是當前直流電耗最低的堿性電解槽之一。迭代傳(chuan)統工業的先進結構及模塊(kuai)化設(she)計。蒂森克(ke)虜伯的(de)堿(jian)(jian)性電(dian)解(jie)槽(cao)來自于其(qi)成(cheng)熟的(de)氯堿(jian)(jian)電(dian)解(jie)槽(cao)工(gong)藝，采用零間隙技術(shu)，電(dian)極與隔膜幾乎做到(dao)零距(ju)離，減小了溶液電(dian)阻；采用低壓運行條件以及方形(xing)槽(cao)結構，優(you)化(hua)(hua)電(dian)解(jie)液流(liu)場(chang)，促(cu)進氣(qi)泡(pao)流(liu)通，減小氣(qi)泡(pao)電(dian)阻。而(er)且，蒂森克(ke)虜伯堿(jian)(jian)性電(dian)解(jie)槽(cao)的(de)單(dan)元槽(cao)之間互相獨立，有(you)利于后期拆裝檢修。再(zai)結合電(dian)極、膜的(de)優(you)化(hua)(hua)，蒂森克(ke)虜伯堿(jian)(jian)性電(dian)解(jie)槽(cao)的(de)電(dian)解(jie)效率提(ti)高到(dao)了80%以上(shang)。

02 國內堿式制氫電解槽面臨同質化困境

國內雖有諸多堿性電解槽產品，從公布信息來看，其結構、性能并沒有太大區別。國內堿性電解槽的同質化可以概括為三個方面。一是發(fa)展方(fang)向同質化。當前堿槽都以高產氫量(liang)為(wei)主(zhu)攻方(fang)向，技術路線為(wei)增(zeng)大電極(ji)面積、增(zeng)加小室(shi)數(shu)量(liang)。這種“堆量(liang)方案”實現了堿性電解槽產氫量的快速突破，可以讓1000 Nm3/h產品快速實現交付，但1000Nm3/h電解槽長度可達6米以上，重量超過40噸。堆量方案使得(de)電解槽的(de)體積(ji)與(yu)重量越來(lai)越大，繼續使用此方案增大產氫量，將面臨(lin)運輸與(yu)維護(hu)成本過高、電解液密封(feng)性變差、反向電流(liu)腐蝕加劇等問題。二是核(he)心零部(bu)件同質化。電極、隔膜、極板等材(cai)質類似，結構相近。國內堿式電解槽絕大多數是拉桿式圓柱形電解槽，雙極板為圓形結構，電極基底為鎳網，催化劑為鎳基合金，隔膜為聚苯硫醚（PPS）膜。目前國內現有堿性電解槽的零部件幾乎都是傳統工業體系下技術已經成熟的工業產品，并沒有過多的創新性與技術壁壘，能景研究認為，在此情(qing)況下，產業(ye)更加成(cheng)熟后，未(wei)來參(can)與(yu)者會(hui)較為容(rong)易地找到供貨(huo)商并(bing)實(shi)現組裝與(yu)擴大(da)產能，產業(ye)鏈成(cheng)本下降的同(tong)時，產品也會(hui)同(tong)時面臨嚴重(zhong)的同(tong)質(zhi)(zhi)化競爭。三是電解(jie)槽性(xing)能同(tong)質(zhi)(zhi)化。電流密度、直流電耗、電解(jie)效率等不具明顯區別(bie)。堿性(xing)電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽(cao)的(de)零部(bu)件同(tong)質化造成了性(xing)能的(de)同(tong)質化。目前從公(gong)布的(de)數(shu)(shu)據來(lai)看(kan)，大多(duo)數(shu)(shu)質量較高的(de)堿性(xing)電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽(cao)直流電(dian)(dian)耗多(duo)在(zai)4.3 kWh/Nm3H2左右、電(dian)(dian)解(jie)(jie)產氫效率在(zai)75%左右、最低工作(zuo)負載范圍多(duo)在(zai)20%以上，且都(dou)是10 bar以上中高壓運行(xing)。

能(neng)景研究認為，目前(qian)國(guo)內各(ge)企業(ye)陸續推(tui)出相(xiang)對成熟(shu)的1000 Nm3/h電解槽(cao)，已能(neng)夠初步(bu)(bu)滿足大型制氫(qing)項目需(xu)求，以(yi)”大標方“為競(jing)爭(zheng)亮點(dian)(dian)已難“出圈(quan)”。尋(xun)找新的優勢突破點(dian)(dian)將成為下一步(bu)(bu)堿性電解槽(cao)發展的重點(dian)(dian)。

03 多個維度都可成為重要的破局點

結合中外堿性電解槽發展動態及相關專業知識分析，輔(fu)助管(guan)理(li)系統(tong)、電(dian)(dian)解(jie)槽結構、核心材(cai)料等多個維(wei)度均(jun)是下一(yi)步堿(jian)性電(dian)(dian)解(jie)槽突破的(de)方(fang)向。輔(fu)助管(guan)理(li)系統(tong)直接關系到電(dian)(dian)解(jie)槽的(de)動態控制能(neng)力(li)，是風光(guang)電(dian)(dian)力(li)波動性適應能(neng)力(li)及安全生產等的(de)重(zhong)要保(bao)證(zheng)。輔助管理系統包括制氫電源設備、智能管理系統、新型氫氣檢測器、離網制氫方案等，可達成平抑風光電力波動、電解槽高效啟停、快速投切等目標，使電解槽更加適應可再生能源制氫項目需求。能景研究認為，在目前國(guo)內堿性電(dian)解槽本身高度同質化、而制氫輔(fu)助(zhu)管理(li)系(xi)統市場(chang)方面尚存在較大缺口(kou)的情況下，高效制氫輔(fu)助(zhu)管理(li)系(xi)統將是接下來的一大熱門(men)破局方向。

電(dian)解槽(cao)的結構關系到空間利用水平(ping)、流場分布情況(kuang)等多個(ge)方面，是降低電(dian)解槽(cao)體(ti)積、電(dian)阻的重要方向。有廠家經過極板結構等優化后，新推出的1300 Nm3/h電解槽體積比原有1000 Nm3/h電解槽體積減小了25%；還有廠家推出了可單池拆卸檢修的方形疊片式電解槽，流場分布更均勻能耗更低，可節約維修時間90%。能景研究認(ren)為，結構(gou)設(she)計需要大量(liang)的(de)實踐數(shu)據(ju)積累支(zhi)撐，而目(mu)前國內大部分廠家(jia)的(de)堿性(xing)制氫(qing)電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽(cao)僅僅經(jing)過(guo)了兩(liang)年左右的(de)發(fa)展，電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽(cao)結構(gou)設(she)計還(huan)不(bu)成熟；電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽(cao)結構(gou)優(you)化方(fang)面(mian)具(ju)有(you)較(jiao)大破局潛力。

隔(ge)膜(mo)是造成電解槽(cao)的內阻與額外(wai)能量(liang)損失的重要(yao)部位，大(da)電流密度下影(ying)響更大(da)。隔膜電阻越大，電流密度越高，造成的歐姆能量損失越嚴重。國內電解槽多使用二代PPS膜，30℃下面電阻在1.0 Ω/cm2以上，而國外三代復合隔膜僅在在0.1~0.3 Ω/cm2之間；另一方面，國產三代復合隔膜在0.4 Ω/cm2左右，與國外也有較大差距。據相關資料，從國內現有商業膜更新到三代復合隔膜可降低電解槽能耗6%以上。能(neng)景研究認為，減(jian)小隔(ge)膜電(dian)阻是提(ti)高堿槽(cao)(cao)電(dian)流密(mi)度必須(xu)攻克的方向，是下一步堿性電(dian)解(jie)槽(cao)(cao)突(tu)破的重點與必然(ran)方向之一。

04 電極材料優化或推動堿性電解槽最快破局

盡管改進堿(jian)性電(dian)(dian)解(jie)槽(cao)結(jie)構(gou)、優化(hua)制氫管理系統(tong)等可(ke)(ke)以拉開與其他同質化(hua)產品的技術差距(ju)，但對堿(jian)性電(dian)(dian)解(jie)槽(cao)本身而言仍難做到大的突破。而電(dian)(dian)極材料的優化(hua)可(ke)(ke)能(neng)將推動新一代堿(jian)性電(dian)(dian)解(jie)槽(cao)的出(chu)現(xian)。

4.1 優化電極材料對實現堿性電解槽快速突破貢獻最大

一方面，電極材料的上(shang)(shang)限是堿(jian)性電解槽性能上(shang)(shang)限的核心(xin)所在。電極過電位大、動力學性能差是當前國內堿性電解槽電流密度低、直流電耗高、電解效率低的主要原因，甚至堿性槽響應慢、負載范圍小、體積過大也與此有關。另一方(fang)面，當前電極(ji)(ji)材料的優(you)化空間(jian)極(ji)(ji)大，且可行性高(gao)。國內(nei)電(dian)解槽大多使(shi)用相對(dui)廉價的簡單鎳基材料(liao)，析氫(qing)過(guo)電(dian)位極(ji)(ji)高（200 mV@100A/m2左右），而(er)科研院(yuan)所及(ji)催化劑(ji)專精企業(ye)對(dui)制氫(qing)電(dian)極(ji)(ji)材料(liao)已有(you)數十(shi)年的技術積累，有(you)大量(liang)性(xing)能(neng)更高（過(guo)電(dian)位100 mV以下）、成本更低的成果(guo)尚未進入應(ying)用。而(er)且，備受(shou)關(guan)注的鉑(bo)基材料(liao)的過(guo)電(dian)位可(ke)低至30 mV，制氫(qing)能(neng)耗預計(ji)可(ke)降低10%以上。

4.2 陰極使用貴金屬催化劑具有成本可行性，或成破局關鍵

貴金(jin)屬電極(ji)(ji)(ji)材料(liao)可(ke)提高電流密度與產氫量，大幅削(xue)減相同(tong)產氫量下電解槽所需(xu)的電極(ji)(ji)(ji)面(mian)積，節省極(ji)(ji)(ji)板、隔膜、密封(feng)圈等成本。目前已有(you)“堿(jian)槽成本PEM性能”的堿(jian)槽產品出現，貴金屬催化劑的使(shi)用是其(qi)實現突破的關鍵(jian)之一。

據能景研(yan)究估算，“極板換(huan)貴金(jin)屬”策略具有(you)經濟與技術可行性：（1）電解槽產氫量不變的情況下，使用(yong)鉑催化劑將電流密(mi)度提高(gao)一(yi)倍，可近似節省一(yi)半的(de)極(ji)板、密(mi)封圈、隔膜(mo)成本；（2）一臺1000 Nm3/h的電解槽成本700萬，極板、密封圈、隔膜成本約占70%，節(jie)省一半可節(jie)余245萬元；（3）電極面積按照340 m2計算，鉑按照400元/g高價計算。極板(ban)等節約出的245萬可(ke)實(shi)現3.6 mg/cm2的鉑載量。（4）實驗室中鉑載量一般低于0.5 mg/cm2，3.6 mg/cm2屬于極高(gao)載量范(fan)疇。這說明極板(ban)換(huan)鉑在成(cheng)本(ben)上和技術上都(dou)充分可行(xing)。

4.3 陽極能量損耗高，新型非貴金屬陽極材料值得更多關注

國內堿性(xing)電解(jie)槽(cao)陽極多采(cai)用(yong)鎳基合金，制氧的(de)過(guo)(guo)電位在300 mV以上，造成(cheng)的(de)能量損(sun)失甚至超過(guo)(guo)陰(yin)極析(xi)氫(qing)，但(dan)其(qi)優化的空間及可行(xing)性都很高(gao)。

能景研究認為，陽極(ji)優(you)化的成本低、收益大：一方(fang)面(mian)，現階段陽極(ji)的優(you)化對貴金屬的需求并不(bu)迫切，使用鉑的提升效果并不明顯，銥雖效果顯著但成本遠超過鉑，釕等其他貴金屬不夠穩定。另一方(fang)面(mian)，實驗(yan)室中(zhong)有許多低成本(ben)的非(fei)貴金屬催化劑可充分提(ti)升陽(yang)極(ji)性(xing)能，過電位可降低到(dao)200 mV水準。目前最(zui)具代表性(xing)的有鎳(nie)鐵基(ji)材(cai)料、鈷鐵基(ji)材(cai)料等。陽極催化的理論比較(jiao)(jiao)成熟，且與現有商用(yong)催化劑(ji)成分(fen)相近，實現技術迭代的難度較(jiao)(jiao)低。

05 小結

國內堿性電解槽經過了以堆量為核心、提高單槽產氫量的初步發展階段，技術門檻低，各廠商的產品存在高度同質化的問題，制氫能耗、電解效率等都還有待提高。部分廠商(shang)已經開始(shi)布局新(xin)的突破(po)方向，著重于制氫管理系統、結構(gou)、核(he)心零部件等的優化提升，新(xin)的差(cha)異化競爭(zheng)格局已經初具(ju)苗頭，只有掌握創新性核心技術的企業才能具有更高的競爭力。在諸多破局(ju)方向(xiang)中，電(dian)極材料的(de)優(you)化(hua)或(huo)許(xu)會成為下一代堿性電(dian)解(jie)槽的(de)核心突破方向(xiang)。而貴金屬鉑的(de)應用(yong)，或(huo)許(xu)會成為破局(ju)的(de)關鍵。