產(chǎn)品詳情
水電解是目前可與可再生能源電力結(jié)合的最成熟且前景的制氫技術(shù)。水電解需要施加電場，迫使水分子解離成氫氣和氧氣。根據(jù)技術(shù)的不同，使用膜或分離器可以實現(xiàn)分子的遷移，以及氫氣的提取和儲存。一套電解槽系統(tǒng)由發(fā)生反應(yīng)的電解槽電堆以及用于妥善管理水、熱、電流或反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣和氧氣的輔助部件組成。下圖1展示了電解槽系統(tǒng)及其組件的概覽。
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圖1.電解槽系統(tǒng)的概述
下圖2為各廠商公布的不同類型及規(guī)格電解堆的可用能耗拆分?jǐn)?shù)據(jù)（單位：千瓦時 / 千克產(chǎn)氫）。低溫電解工藝下，受所用技術(shù)路線影響，生產(chǎn) 1 千克氫氣約需消耗 48~55 千瓦時電能（折合 180~200 兆焦）；高溫電解槽的電耗更低，但需持續(xù)供給高品質(zhì)熱能。常溫條件下，水電解制氫的熱力學(xué)理論能耗下限約為 39.39 千瓦時 / 千克氫。
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圖2：按類型和規(guī)模類別劃分的商業(yè)系統(tǒng)（電堆層面）報告能耗
一、技術(shù)概述
主要的電解槽電堆技術(shù)及其優(yōu)缺點總結(jié)如下：
— 堿性電解（ALK）：是一種成熟的低溫水電解制氫技術(shù)，目前已有成本效益相對較高的兆瓦級電堆。堿性電解槽不使用貴金屬催化劑，穩(wěn)定性好，壽命極長。其主要缺點是只能在相對較低的電流密度下運行，并且可能缺乏運行靈活性。歷史上，堿性電解槽系統(tǒng)動態(tài)性能較差，負(fù)載靈活性以及可工作負(fù)載范圍有限，因為低負(fù)載可能帶來安全問題。然而，為了滿足與可再生能源更高效耦合所需的靈活運行要求，該項技術(shù)的適應(yīng)性改進正在取得進展。
— 質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）：能夠達(dá)到高電流和功率密度，在動態(tài)工況和部分負(fù)載下運行良好。因此，其響應(yīng)速度非常快，這使得與可再生能源的結(jié)合更為容易。其主要缺點與耐久性（涉及催化劑損耗和膜壽命）以及成本有關(guān)，部分原因在于其催化劑含有昂貴且稀有的鉑族金屬，如鉑和銥。在歐洲堿性電解和質(zhì)子交換膜電解是兩種已達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用商業(yè)成熟度的主要技術(shù)，并且已經(jīng)或?qū)⒃跀?shù)百兆瓦（以標(biāo)稱功率輸入計）級別的大規(guī)模系統(tǒng)中得到部署。
— 陰離子交換膜電解槽（AEM）：該技術(shù)在堿性介質(zhì)中運行，但使用固體電解質(zhì)。原則上，這意味著由于固體電解質(zhì)的存在，它們可以結(jié)合使用非鉑族金屬催化劑并生產(chǎn)高純度氫氣。陰離子交換膜電解槽目前開始出現(xiàn)在小規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中，首批1兆瓦的AEM電解系統(tǒng)于2023年交付，5兆瓦系統(tǒng)可能在2025年底前或者2026年投運。
— 固體氧化物電解槽（SOEC）：利用更有利的水分解熱力學(xué)，在更高溫度（通常高于800°C）下使帶負(fù)電荷的離子穿過陶瓷材料循環(huán)，如果有合適的熱源（熱量約為10千瓦時/公斤氫氣），其電耗可低至約40千瓦時/公斤氫氣；維持高溫所需的額外熱量也應(yīng)計入效率考量。由于需要達(dá)到高溫且必須避免構(gòu)成電化學(xué)電池的陶瓷材料受到熱沖擊，它們的冷啟動速率較慢。因此，其運行靈活性也有限。它們必須使用能夠承受該技術(shù)所涉更高溫度的材料，并且也含有稀土金屬等關(guān)鍵原材料。盡管已達(dá)到能夠支撐大型示范工廠的技術(shù)水平，但仍需開展研發(fā)與創(chuàng)新行動，并且必須解決與材料相關(guān)的挑戰(zhàn)，才能實現(xiàn)該技術(shù)的大規(guī)模部署。固體氧化物電解槽已在真實環(huán)境中進行過測試，計劃中的多兆瓦級示范項目也已啟動，例如由歐盟資助的MULTIPLHY項目中的2.6MW固體氧化物電解槽于2025年10月投運。
— 質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷電解（PCC）：一項技術(shù)就緒水平更低但具有顯著發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，該技術(shù)與固體氧化物電解有相似之處，但此處的陶瓷膜用于傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷電解的溫度范圍大約在500-700°C。盡管該技術(shù)前景看好，但其放大規(guī)模仍很困難，要實現(xiàn)全面商業(yè)化還需要多項研究突破。
二、技術(shù)就緒水平(Technology readiness level)
下表1提供了對不同電解槽技術(shù)的定量評估。該評估考慮了堿性和質(zhì)子交換膜技術(shù)目前在工業(yè)環(huán)境（超過20MW）中大規(guī)模應(yīng)用的實際部署情況。將電解槽系統(tǒng)從幾兆瓦規(guī)模擴大到吉瓦規(guī)模，在性能、安全性、設(shè)計和制造方面帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
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表1：不同電解槽技術(shù)的電流TRL。
大型電解槽系統(tǒng)是一種模塊化技術(shù)，根據(jù)特定項目的需求安裝多個電解槽電堆。盡管許多研發(fā)工作都集中在單個電堆的性能上，但部署大規(guī)模系統(tǒng)的雄心也推動著整個系統(tǒng)層面的創(chuàng)新。此外，由于一些大型項目要求直接在用氫現(xiàn)場生產(chǎn)氫氣，項目開發(fā)商的工程工作也集中在將電解槽完全集成到承購方的工業(yè)流程中，例如合成氨或者合成甲醇等生產(chǎn)流程。
為此，一些制造商開始基于標(biāo)準(zhǔn)化的100MW電解模塊開發(fā)模塊化全系統(tǒng)設(shè)計。例如，由兩家歷史悠久的氫能企業(yè)——Technip和John Cockerill——組建的合資公司Rely就在這樣做。另一個例子是Electric Hydrogen，該公司也在開發(fā)一個集成的100兆瓦電解系統(tǒng)。最后，三星工程公司收購了挪威Nel ASA公司9%的股份，以開發(fā)集成的制氫系統(tǒng)。
有分析報告指出，不同地區(qū)（主要是歐洲制造的電解槽與中國進口的電解槽之間）在效率測量方面存在顯著差異。截至目前，還很難以一種穩(wěn)健的方式對電解槽的性能進行全面的基準(zhǔn)測試。
實際上，只有當(dāng)性能數(shù)據(jù)在相同的測試協(xié)議下測量時，才能進行標(biāo)準(zhǔn)化的比較，例如ISO-22734/2019協(xié)議或聯(lián)合研究中心針對低溫和高溫電解制定的統(tǒng)一協(xié)議。從制造商提供的系統(tǒng)規(guī)格中，不清楚數(shù)據(jù)是如何收集的，依據(jù)的是哪種協(xié)議。當(dāng)涉及到更大規(guī)模系統(tǒng)的性能（包括其平衡裝置組件或其集成到更大工業(yè)樞紐中的情況）時，這種不確定性還會增加。
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圖1.電解槽系統(tǒng)的概述
下圖2為各廠商公布的不同類型及規(guī)格電解堆的可用能耗拆分?jǐn)?shù)據(jù)（單位：千瓦時 / 千克產(chǎn)氫）。低溫電解工藝下，受所用技術(shù)路線影響，生產(chǎn) 1 千克氫氣約需消耗 48~55 千瓦時電能（折合 180~200 兆焦）；高溫電解槽的電耗更低，但需持續(xù)供給高品質(zhì)熱能。常溫條件下，水電解制氫的熱力學(xué)理論能耗下限約為 39.39 千瓦時 / 千克氫。
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圖2：按類型和規(guī)模類別劃分的商業(yè)系統(tǒng)（電堆層面）報告能耗
一、技術(shù)概述
主要的電解槽電堆技術(shù)及其優(yōu)缺點總結(jié)如下：
— 堿性電解（ALK）：是一種成熟的低溫水電解制氫技術(shù)，目前已有成本效益相對較高的兆瓦級電堆。堿性電解槽不使用貴金屬催化劑，穩(wěn)定性好，壽命極長。其主要缺點是只能在相對較低的電流密度下運行，并且可能缺乏運行靈活性。歷史上，堿性電解槽系統(tǒng)動態(tài)性能較差，負(fù)載靈活性以及可工作負(fù)載范圍有限，因為低負(fù)載可能帶來安全問題。然而，為了滿足與可再生能源更高效耦合所需的靈活運行要求，該項技術(shù)的適應(yīng)性改進正在取得進展。
— 質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）：能夠達(dá)到高電流和功率密度，在動態(tài)工況和部分負(fù)載下運行良好。因此，其響應(yīng)速度非常快，這使得與可再生能源的結(jié)合更為容易。其主要缺點與耐久性（涉及催化劑損耗和膜壽命）以及成本有關(guān)，部分原因在于其催化劑含有昂貴且稀有的鉑族金屬，如鉑和銥。在歐洲堿性電解和質(zhì)子交換膜電解是兩種已達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用商業(yè)成熟度的主要技術(shù)，并且已經(jīng)或?qū)⒃跀?shù)百兆瓦（以標(biāo)稱功率輸入計）級別的大規(guī)模系統(tǒng)中得到部署。
— 陰離子交換膜電解槽（AEM）：該技術(shù)在堿性介質(zhì)中運行，但使用固體電解質(zhì)。原則上，這意味著由于固體電解質(zhì)的存在，它們可以結(jié)合使用非鉑族金屬催化劑并生產(chǎn)高純度氫氣。陰離子交換膜電解槽目前開始出現(xiàn)在小規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中，首批1兆瓦的AEM電解系統(tǒng)于2023年交付，5兆瓦系統(tǒng)可能在2025年底前或者2026年投運。
— 固體氧化物電解槽（SOEC）：利用更有利的水分解熱力學(xué)，在更高溫度（通常高于800°C）下使帶負(fù)電荷的離子穿過陶瓷材料循環(huán)，如果有合適的熱源（熱量約為10千瓦時/公斤氫氣），其電耗可低至約40千瓦時/公斤氫氣；維持高溫所需的額外熱量也應(yīng)計入效率考量。由于需要達(dá)到高溫且必須避免構(gòu)成電化學(xué)電池的陶瓷材料受到熱沖擊，它們的冷啟動速率較慢。因此，其運行靈活性也有限。它們必須使用能夠承受該技術(shù)所涉更高溫度的材料，并且也含有稀土金屬等關(guān)鍵原材料。盡管已達(dá)到能夠支撐大型示范工廠的技術(shù)水平，但仍需開展研發(fā)與創(chuàng)新行動，并且必須解決與材料相關(guān)的挑戰(zhàn)，才能實現(xiàn)該技術(shù)的大規(guī)模部署。固體氧化物電解槽已在真實環(huán)境中進行過測試，計劃中的多兆瓦級示范項目也已啟動，例如由歐盟資助的MULTIPLHY項目中的2.6MW固體氧化物電解槽于2025年10月投運。
— 質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷電解（PCC）：一項技術(shù)就緒水平更低但具有顯著發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，該技術(shù)與固體氧化物電解有相似之處，但此處的陶瓷膜用于傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷電解的溫度范圍大約在500-700°C。盡管該技術(shù)前景看好，但其放大規(guī)模仍很困難，要實現(xiàn)全面商業(yè)化還需要多項研究突破。
二、技術(shù)就緒水平(Technology readiness level)
下表1提供了對不同電解槽技術(shù)的定量評估。該評估考慮了堿性和質(zhì)子交換膜技術(shù)目前在工業(yè)環(huán)境（超過20MW）中大規(guī)模應(yīng)用的實際部署情況。將電解槽系統(tǒng)從幾兆瓦規(guī)模擴大到吉瓦規(guī)模，在性能、安全性、設(shè)計和制造方面帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
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表1：不同電解槽技術(shù)的電流TRL。
大型電解槽系統(tǒng)是一種模塊化技術(shù)，根據(jù)特定項目的需求安裝多個電解槽電堆。盡管許多研發(fā)工作都集中在單個電堆的性能上，但部署大規(guī)模系統(tǒng)的雄心也推動著整個系統(tǒng)層面的創(chuàng)新。此外，由于一些大型項目要求直接在用氫現(xiàn)場生產(chǎn)氫氣，項目開發(fā)商的工程工作也集中在將電解槽完全集成到承購方的工業(yè)流程中，例如合成氨或者合成甲醇等生產(chǎn)流程。
為此，一些制造商開始基于標(biāo)準(zhǔn)化的100MW電解模塊開發(fā)模塊化全系統(tǒng)設(shè)計。例如，由兩家歷史悠久的氫能企業(yè)——Technip和John Cockerill——組建的合資公司Rely就在這樣做。另一個例子是Electric Hydrogen，該公司也在開發(fā)一個集成的100兆瓦電解系統(tǒng)。最后，三星工程公司收購了挪威Nel ASA公司9%的股份，以開發(fā)集成的制氫系統(tǒng)。
有分析報告指出，不同地區(qū)（主要是歐洲制造的電解槽與中國進口的電解槽之間）在效率測量方面存在顯著差異。截至目前，還很難以一種穩(wěn)健的方式對電解槽的性能進行全面的基準(zhǔn)測試。
實際上，只有當(dāng)性能數(shù)據(jù)在相同的測試協(xié)議下測量時，才能進行標(biāo)準(zhǔn)化的比較，例如ISO-22734/2019協(xié)議或聯(lián)合研究中心針對低溫和高溫電解制定的統(tǒng)一協(xié)議。從制造商提供的系統(tǒng)規(guī)格中，不清楚數(shù)據(jù)是如何收集的，依據(jù)的是哪種協(xié)議。當(dāng)涉及到更大規(guī)模系統(tǒng)的性能（包括其平衡裝置組件或其集成到更大工業(yè)樞紐中的情況）時，這種不確定性還會增加。
