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，大規模產業化潛力進一步增大”。
7000億電解水制氫市場
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勢較小，但隨著技術發展及電解水制氫規模增加，電解水制氫設備成本降價空間較大。
根據國際能源研究中心數據，2050年電解水制氫市場份額有望從現階段的不到1%提高至70%，電解系統市場規模預計可以超過7000億。
在此背景下，包括寶豐能源、隆基股份、陽光能源等在內的上市公司紛紛著手布局電解水制氫業務。
主流的電解水制氫技術路線包括堿性電解水制氫（ALE）、質子交換膜電解水制氫（SPE）及固態氧化物電解水制氫（SOEC）三種。其中，堿水制氫技術發展已經超過百年，是目前發展最為成熟、商業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勢，這使得堿水電解制氫成為現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展最為成熟、是商業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。
經過近30年的積累，中國企業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。
相關企業的堿水制氫業務有業績，電解槽產品有長期運行的經驗，部分企業電解槽已有10年以上的運行經歷，產品穩定性良好。比較有代表性的堿水制氫企業包括老三家——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
（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，對產出的氣體要進行脫堿霧處理。
圖1 堿水制氫裝置圖（來源：能源情報）
傳統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：
（1）堿性電解槽能源轉化效率較低，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節，難以與具有快速波動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
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、新研究。
其中，天津大陸與有關單位共同開發的新型高效電極在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；所研發新型隔膜也已工作十多年，與現行隔膜相比，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成果為例，某企業自主研發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，較常規鎳網電極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上也取得了新進展，其電解槽墊片采用經過多年驗證的高強度的塑料合金，抗蠕變性好，安全穩定性好，線脹系數接近鋼的線脹系數，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帶來的電耗，對于制氫設備直接耦合化工領域更具優勢。
同類型公司在絕緣墊片開發上也取得了積極成果。據了解，某代表性企業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。
新制造
制造方式的優化是實現電解槽降成本的另一重要方式。過去由于應用領域有限，市場規模不大，堿水制氫電解槽生產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方式上進行創新，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品質量和制造效率。
據了解，相關企業已實現電解槽極板的半自動化加工生產，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，在提高產品質量的同時，大大提高了制造效率、降低了成本。
新系統、新結構
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，代表性的有——
（1）電極連接方式上由“1正2負”向“1正1負”發展，具有成本低，連接簡單的優勢；
（2）極板設計上，由傳統乳突極板向平極板/不銹鋼網/焊接鎳網復合極板發展，對于保證氣液流動順暢，減少氣阻具有積極影響；
（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”發展，可極大降低堿水制氫的系統成本。
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中，市場規模小，技術迭代緩慢，針對于其隔膜、催化劑、電極等部件優化程度較低，造成產氣效率較低的問題。但通過近期對代表性企業堿水制氫電解槽產品的調研可以發現，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 代表性企業堿性電解槽產品參數對比圖
（來源：水木易德氫能產業新技術研究報告）
更快的響應速度
根據天津大陸設備公司的實驗數據，其堿水制氫電解槽在外加負荷產生變化時，系統可以實現秒級的響應速度，且對電解槽溫度、液位、壓力等參數影響較小。
區別于之前的傳統認知，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動態響應
（來源：水木易德氫能產業新技術研究報告）
更好的穩定性
依托堿水制氫較長的發展時間，其良好的穩定性得到了長期的運行驗證。天津大陸公司于2018年實現1000標方的電解水制氫設備生產運行，現已進行了3年多的工程技術驗證，為國內運行時間最長1000標方設備。
同時，同類型企業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節，近40年生產的1000余臺套電解槽無一起安全重大事故，技術安全穩定性好。
結語
電解水市場發展必要性較高，潛在市場規模大，各上市公司紛紛開展業務布局。
堿水制氫作為目前發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，壽命長的優勢，在電解水制氫市場具有不可替代的地位。
傳統觀點認為，堿水制氫能源轉化效率低，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展。
在此背景下，各堿水制氫企業，借助新材料、新制造、新系統、新結構實現對堿水制氫電解槽的進一步性能優化、成本優化，實現了堿水制氫電解槽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。
未來的規模化集中式電解水制氫市場必將是以堿水制氫為主，PEM純水制氫與堿水制氫共同發展、相輔相成的格局。
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