转载-----「电解槽：需求端星辰大海，供给端群雄逐鹿」
原创导读：电解槽：需求方群星璀璨，供给方百战百胜。
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前言
目前，利用化石燃料制氢的技术虽然成熟，但与减少碳排放的初衷相悖。 氢能未来的发展方向一定是基于可再生能源制氢的绿色制氢技术。 3月23日，我国氢能顶层规划正式发布，明确到2025年，可再生能源制氢能力达到10万吨/年-20万吨/年，成为氢能新能源消费的重要组成部分。 利用可再生能源电解水生产“绿色氢”是一种零碳、环保的制氢方式。 随着新能源装机容量快速增长，未来风电、太阳能发电成本将低于煤电，绿氢成本有望在2030年实现价格实惠，作为氢能的关键设备绿色制氢，电解槽已成为行业关注的焦点。 本文重点介绍电解槽的当前发展现状和未来发展趋势。
1、为什么要发展电解水制氢？
目前氢气的主要来源是通过化石能源重整制氢，占比96-97%。 国内外电解水制氢所占比例很低，仅为3-4%。 虽然利用化石燃料制氢技术成熟且成本低廉，但与减少碳排放的初衷背道而驰，利用可再生能源通过电解水生产“绿色氢”将是深度脱碳的一种制氢方式。未来。 从供给潜力来看，2019年，我国仅风电、太阳能、水电弃电量就分别达到169亿、46亿和300亿千瓦时。 累计限电达515亿千瓦时。 理论上可以生产92万氢气。 吨，可供至少20万辆公交车使用。 随着技术升级，充分利用风能、太阳能等可再生资源将大幅降低电解制氢成本。 我国可再生资源丰富，大幅增加可再生能源发电将是未来大规模低成本制氢的重要能源。 交通和供热领域都将是氢能的重要发展领域。
2、三种主流水电解制氢技术
电解水制氢是指水分子在直流电作用下离解产生氧气和氢气，分别从电解槽的阳极和阴极析出。 其生产历史已有100多年。 1800年，1902年发现了水的电解。目前已有400多个工业电解槽。 根据电解液不同，目前世界主流水电解制氢主要分为三种类型：碱性水电解制氢（ALK）、固体聚合物质子交换膜水电解制氢、固体氧化物水电解制氢（SOEC）。 其中，ALK技术最成熟，PEM处于商业化初期，SOEC尚处于研发和示范阶段。 BNEF预测，与2020-2021年相比，由于碱性电解更便宜，更适合大型项目，碱性电解水产品将在2020年全球电解槽市场份额更大，占出货量的75-78% 。
1）碱性电解水制氢
碱性液态水电解技术采用20-30%浓度的KOH和NaOH水溶液作为电解质。 阳极和阴极电极由镍基材料制成，隔膜由石棉布或PPS（聚苯硫醚）等绝缘材料制成。 在直流电的作用下，水电解产生氢气和氧气。 碱性水电解制氢技术比较成熟，设备结构简单，制造成本低，价格仅为PEM电解槽的1/4-1/5。 单台设备产氢量大（市场上单台成熟电解槽最大产氢量为3/h），运行寿命可达15-20年。 但电流密度低导致电解槽体积大、冷启动时间长。 动态响应能力弱。 目前，工作温度70-90℃的碱性电解水制氢装置在工业上得到广泛应用，工作温度120-150℃的装置正在开发中。
碱性电解槽的发展主要经历了从常压到加压、从石棉隔膜到无石棉隔膜电解槽、从小型到大型的过程。 目前，加压（1.6mpa和3.2mpa）无石棉隔膜电解槽已达到兆瓦级别。 该产品已成为碱性电解槽的主流产品。 水电解制氢装置的形式有很多种，主要从电解槽结构、电气连接方式等来分类：电解槽结构主要分为箱式水电解槽（一般在常压下运行）过滤压式水电解槽（两端压有端板，可常压或带压运行）。 箱式电解槽主要用于电镀、精炼等用途。 目前水电制氢电解槽的结构主要是过滤压式电解槽，效率较高。 、结构紧凑的优点； 电解槽的电气连接方式可分为：单极水电解槽和双极水电解槽。 双极电解槽由多个电解槽（室）并联组成，同一极板的正面为阴极，背面为阳极。 一块极板起到两种极性的作用，故称为双极电解槽。 与单极电解槽不同的是，每个电解槽都有独立供电的阳极和独立的电源。 相反，多个电解池串联连接并由一组电源供电。 总共只有一个阳极和一个阴极。 双极电解池是主流。
图3：单极水电解槽
图4：双极水电解槽
电解水制氢系统由电解槽和辅助系统组成。 电解槽是电解反应发生的主要场所。 辅助系统主要由动力转换设备、水循环、气体分离、气体净化等模块组成。 对于碱性电解槽来说，设备成本主要由电极、隔膜等核心部件的成本驱动。 在碱性电解槽电解堆的成本构成中，50%以上的成本与电极和隔膜有关。 电极材料和隔膜电阻也是影响水电解能耗的关键因素。 因此，电极和隔膜的改进一方面可以降低成本，另一方面可以降低能耗。 同时，碱性电解制氢系统的辅助设备部分（BOP）、碱循环和氢气后处理对于降低成本也很重要。
图5：1MW碱性电解槽成本构成
电解槽由电解室组成，每个电解室由阳极板、阳极及辅助电极网、隔膜、垫片、阴极及辅助电极网、阴极板组成。 每个电解室中产生的氢气和氧气被正极和负极之间的隔板分开。 隔板两侧贴的镍网为正极镍网（孔较密）和负极镍网（小孔较密），镍网外侧为支撑网（网孔大的）更薄）用于气体和液体的流场。
图6：电解室结构
碱性水电解制氢时，所使用的碱性电解液（如KOH）会与空气中的CO2发生反应，生成在碱性条件下不溶的碳酸盐（如K2CO3），导致多孔催化层堵塞。 ，从而阻碍产物和反应物的转移，降低电解池的性能； 另一方面，碱性电解槽难以快速关闭或启动，产氢速度也难以快速调节，因为必须时刻维护电解槽的阳极和阴极。 两侧压力平衡，防止氢气和氧气通过隔膜混合，从而引起爆炸，难以与碱性电解槽和具有快速波动特性的可再生能源配合。 根据碱性电解槽的特点，碱性水电解制氢的发展方向如下：
电解槽扩大
降低接触电阻，优化电极材料，提高电流密度：碱性电解槽的阴极和阳极的基材一般为镍，然后对基材进行热喷涂、拉丝烧结，或化学镀，或PVD。 催化元素结合在基材上（催化层涂层）。 有贵金属铱等元素，也有非贵金属元素。 有的用在正极，有的用在负极。 贵金属电极价格昂贵，总体目的是获得高效率。 通过电解水生产节能（即高电流密度、低电池电压）、高纯度且经济高效的氢气。
电催化剂在制氢电解槽中的作用至关重要，也是决定制氢电解槽制氢效率的基础。 理论上水电解电压为1.23V，热中性电压为1.48V。 然而，在实际应用中，在大型设备中，由于设备运行过程中电极的极化和电解槽的欧姆电阻，单个电解室的电压达到2V左右。 如下公式：U=E0+I*R0+E，其中U代表单个电解室的总电压，E0代表理论分解电压（1.23V），I*R0代表电解槽的欧姆压降， E 是过剩电势。
科学研究方面用于碱性电解水的催化剂种类很多，包括贵金属基催化剂（Pt、Pd、Au、Ag等）、非贵金属基催化剂（Fe、Co、Ni等）、和非金属基催化剂（碳材料等），目前大型电解槽使用的催化剂大多为镍基、纯镍网或泡沫镍，或在此基础上喷涂的高活性镍基催化剂，如雷尼镍（通过用浓氢钠溶液处理氧化镍铝合金，在此过程中，大部分铝会与氢氧化钠反应并溶解，留下许多不同大小的微孔，使得雷尼镍催化剂具有较大的比表面积），活化处理 硫化镍、镍钼合金等。使用镍基催化剂的主要原因有三：镍基催化剂的制备工艺成熟（镍网、镍毡产品成熟，镍基催化剂的数量和厚度Ni网可以更好地控制），Ni基催化剂相对便宜，电极板和催化剂之间的接触腐蚀问题（极板需要镀有与催化剂相同的金属。 如果使用贵金属催化剂，则镀层需镀与催化剂材料相同的镀层）。 因此，使用镍基催化剂可以降低大型电解池的总体制造成本。
图7：Heni网
优化隔膜，降低能耗，在保证气体纯度的同时提高操作压力：隔膜的主要作用是阻隔气体和液体的渗透。 目前第一代石棉膜已被淘汰（石棉在碱性电解液中的膨胀特性与对人体的伤害有关），第二代包括PBI、PPS（聚苯硫醚）等。PPS织物具有以下特点：优异的耐热性、高机械强度和优异的电气性能。 但PPS织物的亲水性太弱。 如果仅使用PPS织物作为隔膜，会导致电解槽内阻过大，因此需要对PPS织物进行改性，增强其亲水性。 目前行业广泛使用的隔膜是PPS织物+无机层涂覆的新型复合隔膜。 复合隔膜由两面涂有浆料的PPS基材组成。 作为基材的PPS织物可以提供一定的物理支撑，表面涂层浆料中含有二氧化锆和聚合物，其中二氧化锆等无机氧化物纳米粒子是提高其亲水性的主要物质。 通过提高隔膜的亲水性，提高隔膜与电解液的相容性，降低电解槽的内阻；
图8：复合膜片结构示意图
研究与大规模可再生能源相匹配的制氢技术；
实现规模化、自动化、智能化，大幅降低制造成本。
2）PEM水电解制氢
与碱性电解槽相比，PEM电解槽采用质子交换膜代替石棉膜和PPS膜，在电极两侧传导质子并隔离气体，避免了碱性电解液带来的缺点。 质子交换膜一般采用全氟磺酸膜来传输质子，隔离阴极和阳极产生的气体，并阻止电子的转移。 PEM电解槽的结构与燃料电池电堆类似，主要由膜电极（质子交换膜、催化剂、气体扩散层）和双极板组成，但在材料用量和加工工艺上存在差异。 PEM电解槽的电解质是固体质子交换膜。 氢气渗透率低，产生的氢气纯度高。 只需要除去水蒸气即可。 该过程简单且安全。 电流密度高（>1A/cm2），电解槽运行电流密度通常至少是碱性水电解槽的3-4倍； 采用零间距结构，欧姆电阻低，显着提高电解过程的整体效率，且更加紧凑； 压力控制范围大，氢气输出压力可达数MPa，可适应快速变化的可再生能源电力输入。
表 2：PEM 电解槽和 PEM 电堆材料的异同
PEM电解技术及大规模推广的难点主要体现在以下几个方面：
阳极催化剂——低铱、耐酸、高活性析氧催化剂已成为行业内主要研究方向。 在PEM水电解电极反应中，商用Pt基催化剂可直接用于PEM水电解阴极的析氢反应。 阳极析氧反应的极化远高于阴极析氢反应的极化，这是影响电解效率的重要因素。 电化学极化主要与电催化剂的活性有关。 选择高活性催化剂、改善电极反应的三相界面有利于减少电化学极化。
图9：电解槽电压和电流：析氧过电位高
阳极反应环境恶劣：强酸、强腐蚀，这就要求阳极析氧催化剂具有极高的酸稳定性：PEM电解水阳极侧析出的原子氧具有强氧化性，对阳极析氧催化剂产生负面影响。阳极侧催化剂载体和电解槽材料的抗氧化性。 耐腐蚀性要求高； 高阳极析氧过电位：析氧反应是PEM水电解的瓶颈反应，析氧过电位是影响反应效率的主要因素。 要求阳极催化剂具有较高的催化活性； 理想的析氧反应电催化剂应具有高比表面积和孔隙率、高电子电导率、良好的电催化性能、长期的机械和电化学稳定性、气泡效应小、廉价且无毒等特点。因此，Ir、Ru等贵金属/氧化物以及基于它们的二元和三元合金/混合氧化物是理想的催化剂材料。 铱产量限制：目前PEM电解槽中的铱消耗量常常超过2 mg/cm2。 预计2030年安装30GW电解槽需要15-30吨铱，是目前年产量的2-4倍，因为Ir和Ru价格昂贵且资源稀缺，低铱含量是必然方向。
图10：全球铱的供需情况
图11：吉林大学研制出钙钛矿结构低铱催化剂，铱含量达到28%。
阳极气体扩散层：PEM水电解的扩散层多采用钛基材料，并经过耐腐蚀表面处理，以抵抗析氢、析氧条件下的腐蚀问题。 扩散层材料本身涉及欧姆极化，扩散层结构也与扩散极化有关，需要综合考虑。 目前使用的钛纤维毡主要存在以下问题： 钛纤维毡流体渗透性差：钛纤维毡板内部空隙结构复杂、不规则，导致其内部气体、水的流体阻力较大，流体透过性差。渗透性。 差，影响整个电解反应的效率； 钛纤维毡与膜电极接触效率低：钛纤维毡表面不规则，孔隙率较大，导致与膜电极表面呈线接触，导致接触效率低，活性低点少，降低了催化反应速度； 质子交换膜厚度难以降低：钛纤维毡表面孔隙较大，且孔径大小不一。 为了防止质子交换膜在高压反应下被剪切损坏，必须使用直径大于孔径的材料。 质子交换膜越厚，膜电阻越大。 Ti基体本身的成本和表面处理材料的成本在PEM叠层中占很大比例。 改造方法更多的是在制造过程中，比如氢能新能源采用的高度有序的通孔结构阳极气体扩散层。 该制造工艺（包括使用激光雕刻和金刚石线切割）可以实现钛纤维毡板的低成本、大规模批量生产。
图 12：电解槽电压与电流：高元件和膜电阻
图13：阳极气体扩散层内部结构杂乱
3）固体氧化物电解水制氢
SOEC水电解技术采用固体氧化物作为电解质材料。 正极材料采用多孔金属陶瓷Ni/YSZ。 负极材料使用钙钛矿氧化物等非贵金属催化剂。 常用的电解质是YSZ基氧离子导体或BZCY基电子导体。 在700-1000℃高温下工作，具有能量转换效率高、不需要使用贵金属催化剂等优点。 根据水分解的热力学性质与温度的关系，电解水反应可以在高温操作条件下在热中性电压下进行。 因此，如果制氢现场有优质的余热源，通过合理的热量回收，制氢过程所需的总能量（焓变ΔH）可由电能（吉布斯自由能变化ΔG）提供。和热能（TΔS），减少了对电能的需求，大大提高了整体电效率，可以达到甚至超过100%。 此外，较高的操作温度也大大降低了析氧和析氢两个半反应的过电势，使高温电解制氢具有高效、避免使用贵金属催化剂的天然优势。
图14：水分解制氢反应热力学能与温度的关系
图15：三种电解制氢水的性能范围与热中性电压的关系
目前，SOEC技术仅在实验室开发并通过国内外小规模示范。 SOEC对材料有严格的要求。 在电解的高温高湿条件下，常规材料的氧电极阳极极化严重，易于电解模式使用。 当发生分层时，氧电极电压损失远高于氢电极和电解质的损失，因此需要开发新材料和新型氧电极来降低损失。 此外，在叠层集成方面，还需要解决SOEC高温高湿条件下玻璃或微晶玻璃密封材料的使用寿命明显缩短的问题。
SOEC的理论电解制氢效率和产氢率都非常高。 不使用贵金属催化剂，未来成本降低空间很大。 但由于其技术不成熟、寿命较短，目前其投资成本较高，商业大规模使用尚未成熟。 ，而对高温热源的需求也可能限制 SOEC 的长期经济可行性。
3、需求端众星云集，供给端争夺王座。
据彭博新能源财经（BNEF）统计，2020年全球建成的电解槽项目装机容量将达到200MW，2021年达到458MW。2022年电解槽出货量将是2021年的至少4倍，达到1.8-2.5GW其中中国将占总需求的62-66%，碱性电解槽由于较好的经济效益将继续占据市场主导地位，2022年市场份额将超过80%。到2030年，全球累计装机容量将超过40GW。 据协会氢能数据库统计，全球在建绿氢项目约70个，其中吉瓦级项目22个，主要分布在欧洲（11个）和澳大利亚（7个），以及中东地区。东美洲和南美洲。 巨大的潜力。 全球规划吉瓦级绿氢项目容量总计144.1GW，其中欧洲和澳大利亚占比近93%，占据绝对领先地位。 中国氢能联盟发布“可再生氢能100行动倡议”，力争到2030年国内可再生能源制氢装机容量达到100GW。根据国际能源署可持续发展情景，全球氢能需求预计将增长7倍从目前的水平到2070年达到5.2亿吨。可见，随着绿氢需求的增加，短期内整体电解槽市场将出现供不应求的情况。
图16：全球规划的绿色制氢项目
在电解槽强劲需求预期的推动下，国内外企业正在加速扩产。 其中，国内企业主要扩产碱性电解槽：2022年，中船718将现有产能翻倍至1.5GW，隆基将产能从500MW增至1.5GW。 已增至1.5GW，计划未来五年产能达到5-10GW； 康明斯等海外企业的扩张主要以PEM电解槽的扩张为主。 预计2022年全球电解槽产能为13.5GW，其中碱性电解槽产能为9.9GW，占比74%，PEM电解槽产能为3.6GW，占比26%。
图17：全球电解槽产能统计
除了原有企业扩产外，氢能巨大的市场空间也吸引了德国、美国等众多老牌企业。 国内企业如华电、国富氢能等新进入者也纷纷宣布有意进军电解槽市场。 双碳目标下，绿氢对于深度脱碳、社会各行业脱碳无疑发挥着关键作用。 电解槽是绿色制氢的核心设备。 仅去年一年，中国就新增了数十座电解槽。 企业。 在多方资本支持下，绿氢成本降低速度有望加快。 预计到2030年，国内碱性电解槽成本将从目前的2000元/kW下降到700-900元/kW。 到2050年，可降至530-650元/千瓦。 预计“十四五”期间可再生能源平均上网电价将降至0.25元/千瓦时以下，相应绿氢成本可降至15元/公斤以下。 预测指出，到2050年，绿氢的价格将低于天然气、灰氢和蓝氢。 届时，绿氢的成本将比现在低85%，低于1美元/公斤。 对于国内电解槽企业，尤其是新进入者来说，电解槽行业的本质是产品+工程+品牌营销能力的行业模式，持续的研发和专业人才培养、生产能力建设&产品交付能力和工艺积累是关键为各公司取得最后的胜利。