大型水电解制氢技术现状及发展

随着煤炭、石油能源大规模使用，全球气候变化的影响日益显著，将对人类社会和发展造成巨大危机。因此减少化石能源使用带来的温室气体及其他有害气体排放已经成为当前国际社会的共识和重点关注领域。中国政府在2020年巴黎气候变化大会上承诺，并提出了自己的“双碳目标”，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的宏伟目标[1]。

氢能具有能量密度大、热值高、储量丰富、来源广泛、转化效率高等特点，燃烧后生成水。氢可以作为储存方式与利用形式多样高效储能载体，氢能是可再生能源实现大规模长周期储存的有效解决方案，被专家学者认为是最具有应用前景的能源之一，得到人们的高度关注[2]。

目前国际普遍根据制氢过程中是否有二氧化碳的排放，将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢是制取过程中产生并且排放二氧化碳，如煤制氢、煤气化、天然气制氢或工业副产氢；蓝氢是制取过程中产生但不排放二氧化碳，也就是对排放出来的二氧化碳实施碳捕集、碳封存，这也包括化石能源制氢，只是在碳捕集和封存的过程中会产生成本，例如甲烷裂解过程中变成固体炭黑，获得氢气；绿氢是利用可再生能源(如地热、生物质、海洋能、风电、光伏太阳能以及固体废弃物)等制氢，制氢过程完全没有碳排放。2021年我国氢气产量约3300万吨，居全球第一，按照氢气来源分析，其中煤制氢占比62%，天然气制氢占比19%，工业副产氢占比约18%，电解水仅有1%[3-4]。从这些数据看出，绿氢的占比还是比较低的。

水电解是制取绿氢的主要途径，是氢能发展的必要技术[5]，是实现“双碳”目标的重要支柱。随着“双碳”政策的不断推进和深化，可再生能源电力成本的降低，氢燃料电池汽车的规模化推广和氢能市场的逐渐成熟，市场对氢气的需求将呈爆发式增长，但通过水电解技术制取绿氢将是未来低碳经济的主流方向，也是氢能发展的必经之路，将成为氢气的主要来源。

01、大型水电解制氢技术研究现状

水电解制氢技术为制取绿氢的核心关键技术。水电解制氢是一种将水分解成氢和氧的电化学过程[6]。目前水电解制氢根据电解隔膜的不同分为碱性水电解制氢技术(ALK，AlkalineElectrolysis)，质子交换膜制氢技术(PEM，ProtonExchangeMembraneElectrolysis)和固体氧化物水电解制氢技术(SOEC，SolidOxideElectrolysis)，三种水电解制氢的对比分析见下表1。

大型水电解制氢技术现状及发展

目前国内外市场，大型水电解制氢技术主要采用碱性水电解制氢技术和质子交换膜电解制氢技术两种。氢能在往能源级别转变发展过程中，大型水电解制氢技术生产的设备具有规模大、效率高、占地面积小、氢能低成本等优势，一直是全球企业和科研机构在持续研发电解水制氢技术的热点[7]。针对单槽产氢量大于1000Nm3/h以上的水电解制氢技术，国内已经掌握碱性大型水电解制氢技术及设备的生产厂家有中国船舶集团第七一八研究所的派瑞氢能公司、考克利尔竞立(苏州)氢能科技有限公司、天津市大陆制氢设备有限公司、隆基氢能科技有限公司、扬州吉道能源有限公司等，众多企业使得我国碱性大型水电解制氢技术在国际市场具有一定的成本优势，但质子交换膜电解制氢设备还落后于欧美和日韩等国家。全球质子交换膜电解制氢设备厂家单槽高于1000Nm3/h的厂家有美国康明斯。

02、大型水电解制氢技术

2.1大型碱性水电解制氢技术

派瑞氢能：开发研究出了的碱性水电解制氢的单台设备产氢量可达2000Nm3/h，采用制氢站式布局，双极性压滤式结构，绝缘密封垫片的密封性能强；采用硅整流替代原有的可控硅整流方式，降低了装置运行时对电网的谐波干扰，有效消除了对电网的高次谐波污染，降低了无功损耗；未经纯化前产品氢气纯度达到99.8%，氧气纯度达到99.2%，产品氢气纯化后可达到99.999%。在2021年，公司生产的首台1000Nm3/h型大型水电解制氢装备成功交付冬奥会，能耗低、安全性能优越，高效制取氢气用于冬奥会园区及周边燃料电池汽车氢气加注。

考克利尔竞立：与华能清能院、华能四川公司、华能四川氢能公司共同研制的1300Nm3/h电解槽，在大型、高电流密度、压力型碱水电解制氢关键技术研发、核心部件设计、全系统组装集成等方面在点、面、体三维开展创新，实现了多项重要技术突破。突破了高效催化剂合成的关键“点”，构建了新型镍基多元合金催化层，有效提升了工作电流密度，降低了析氢电位。突破了三相关键界“面”的解析与结构优化，颠覆了传统极板流场结构，优化了电解小室横纵维度空间布局，实现了热量、物质的高效传递。突破了大型高电密电解槽的整“体”可靠组装，提升了电解槽的高压密封性、性能均一性和运行可靠性。在供应给宝丰能源的1000Nm3/h的碱性大型水电解制氢设备，是全球首套产能1300Nm3/h，最大可达1500Nm3/h的，满足20%~115%的调频制氢。在国际上商业化的大型水电解制氢设备电流密度首次最高达到6000A/m2，主控系统采用国产PLC。设备并打破了碱性电解槽单槽产氢的世界记录，在满负荷情况下运行稳定。

考克利尔竞立一直围绕减少接触电阻、优化电极材料、提高电流密度、降低能源消耗展开了深入研究。目前该企业生产的大型碱性水电解设备直流电耗是在4.13kW·h/m3氢气，都优于国家强制性标准《水电解制氢系统能效限定值及能耗等级》中的4.3kW·h/m3氢气一级水平。现已实现了电流密度从2000A/m2到4000A/m2的飞跃。快速启动情况下，设备一分钟达到满负荷运行，电流、电压、交直流的转化率高达98.5%。目前也实现了IOT电解槽控制设备的互联，终端智能、远程监控这些我们都能做到，而且达到了5个A的纯度要求，也采用了非石棉材质隔膜，采用非接触式的电解方式，提升了电解效率，确保电流密度能够达到6085~6086A，且长久运行稳定。随着氢能源的进一步发展，考克利尔竞立集成化程度更高，往大型化、高效、集约方向发展。

大陆制氢：是我国生产分立式循环水电解制氢技术的专业厂家，已有1000Nm3/h大型碱性水电解制氢设备，所生产运行压力最高的制氢设备为5.0MPa，产品畅销至世界各地。

阳光氢能：公司自主研发出1000Nm3/h大型碱性水电解制氢设备、兆瓦级质子交换膜制氢系统对应的电解制氢设备，建有电解水制氢系统测试平台，满足1000~3000标方制氢系统测试需求。阳光氢能大型水电解制氢设备正应用于吉林省白城市的“中国北方氢谷”项目。

扬州吉道能源有限公司：发布首套安全承压壳式单槽产能最大水电解制氢设备并成功下线，由吉道能源与联合大连理工大学、中科液态阳光苏州公司等多家单位联合研发，在水电解设备结构、电解液分配、催化剂、温控等方面均取得突破，并拥有自主知识产权，是首套室外安全防爆型的商业化碱性水电解制氢设备。该电解制氢设备制氢量达1350Nm3/h，最高可达1500Nm3/h，压力为2.5MPa，用地节省50%、厂房90%，并拥有多项国际领先关键指标，同时还形成以下优势：室外安全承压壳式电解槽整套技术，大规模高压水电解技术，单位设备投资可减少20%，直流能耗低于4.2kW·h/m3氢气，显著优于国家一级能效标准；该设备将用于制氢储能电站，接入电网控制，实现一键启动、无人值守、远程监控、设备互联等功能；采用了多电解室环流分布技术，电解槽运行更平稳，系统动能减少10%；电解设备采用防渗漏在线检测技术、槽体自动清洗技术、内电路降温技术。该大型水电解制氢设备的发布标志着我国已成功掌握高性能碱性大型电解制氢关键技术。下一步，吉道能源启动3.5MPa，2000Nm3/h大规模电解槽开发。

隆基氢能：成功下线的大型碱性水电解制氢设备采用模块化、高电流密度设计，商用大型碱性水电解制氢设备的单台氢气制备能力达1000Nm3/h以上水平，非石棉网的设计，对环境更加友好，同时兼顾“多台大型电解槽对应一套气液分离系统及气体纯化系统”，提高了大规模制氢工厂的集约性。分布式IO控制系统不仅集成度高、节约材料，还可系统全自动无人值守高效运行。

大型水电解制氢技术现状及发展

2.2大型质子交换膜水电解制氢技术

美国康明斯质子交换膜大型水电解设备做到1000Nm3/h以上并实现商品化，成为世界上最大的质子交换膜水电解制氢设备，输出压力达到3MPa，氢气纯度达到99.998%，制氢设备紧凑高效，调节范围5%~125%。企业产品应用比较广泛，已成功应用在魁北克的液化空气制氢厂。

派瑞氢能、考克利尔竞立、大陆制氢、阳光氢能这四家公司的碱性水电解制氢技术的单槽制氢量都达到了1000Nm3/h以上，并在工程中得到应用。目前领先质子交换膜水电解制氢技术掌握在康明斯、Nel、Proton这类国际企业中，且技术与装备制造方面处于领先地位。相对国内质子交换膜水电解制氢企业还落后于欧美等国家，水电解制氢行业里面的规模都很大，但涉氢业务规模都很小，大型质子交换膜水电解技术较高且具有商业化产品有山东赛克赛斯、阳光氢能等，产氢量最高已达到260Nm3/h，与世界先进技术差距明显，国产大型质子交换膜水电解技术还有很大的进步空间。

大型质子交换膜水电解制氢技术，即使在部分负荷下具有在高功率密度下，高效率，产品氢气质量高；低维护，运行可靠；没有化学物质或杂质；相对碱性电解槽有很多的优势，占地面积更小，对可再生能源的适应性更好，而且碱水处理负担。但大型碱性电解制氢技术技术成熟且产氢量大，大型质子交换膜水电解设备售价是碱性水电解设备的成本贵，对水质的要求非常苛刻且产气量小。

03、水电解制氢成本

水电解制氢成本是绿氢从工业级到能源级的转变的一个关键因素，且降低成本的技术路径主要有三条：

一是大型化，包括单体水电解制氢设备的大型化和模块化。水电解制氢设备通过改进材料、多槽对应一套净化、集装箱式集成的模块化等各方面，国内大型碱性水电解制氢设备产氢量实现了千立方级，并在绿氢项目及示范工程中实现了中得到应用。而质子交换膜水电解制氢设备产氢量达到百立方级模块化是一个系统带多个水电解制氢设备，例如德国一个项目达到4000Nm3/h，由8个500Nm3/h的水电解制氢设备组成。

二是是降低电耗。水电解制氢，电耗降低带来的但制氢成本降低具有显著的优势，研究机构和企业都在积极推进降低电耗，研究主要集中在材料、高电流密度大尺寸电极、隔膜等方向。降低电耗涉及到材料、结构等多学科，以及加工手段等环节的影响，目前国内没有创新性指标的方案，因此降低电耗是非常困难的事情。

由于碱性水电解制氢技术中电流密度存在天花板，导致碱性水电解制氢效率到了瓶颈；但质子交换膜水电解制氢能轻松突破电流密度上限，而且能更进一步上升，且热启动冷启动速度更快，使用纯水而无后期碱液回收和治污成本，在此基础上降低制氢成本。

三是与可再生能源的结合。可再生能源具有间歇性、波动性、季节性(特别是水电，风电，光电)三种特性，在双碳背景下，风光氢储一体化发展思路下，氢气作为储能调峰的主要手段，大型水电解制氢能够适应可再生能源三性的能力越强，技术先进，制备绿氢的效率越高，关键系统对可再生能源波动的快速响应。目前我国国内企业已经做到了秒级响应，即一秒钟内可以启停。大型碱性水电解制氢设备对可再生能源适应的幅宽从20%~100%，大型质子交换膜水电解制氢设备的效率更高，已做到全幅覆盖。

04、结论

国内外水电解制氢技术通过大型化、N对1构造、模块化、降低能耗、高电流密度、宽电流适应范围、新型的结构和新材料等多方面进行研究并持续创新，持续降低制取绿氢成本。虽然未来一段时间国内市场主力以大型碱性水电解制氢技术为主，随着绿氢需求旺盛和技术进步，大型质子交换膜水电解制氢技术会快速发展。但是大型水电解制氢技术是制取绿氢的关键技术，也是未来的发展方向。