電解水制氫是未來最有發展潛力的綠色氫能供應方式，在“雙碳”背景下，電解水制氫項目已經成為市場關注的熱點話題。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2020）》預測，2030年中國氫氣需求量達3715萬噸，2050年達9690萬噸。有分析認為，電解水制氫將逐步作為中國氫能供應的主體，在氫能供給結構的占比將在2040、2050年分別達到45%、70%。按照IRENA的預測，到2030年，全球可再生能源制氫裝機量將達到100GW，僅僅歐洲就將達到40GW的裝機量。

 

從產業鏈分布看，制氫、燃料電池、儲氫等氫能裝備齊頭并進，是產業投資最活躍領域，投資占比超過 80%。其中，制氫環節在項目數量、投資規模上均占比最高，也是上市公司參與較多的環節。A股上市公司中除了寶豐能源（600989），A股中還有部分上市公司也在布局電解水制氫項目，例如“硅片龍頭”隆基股份（601012.SH）、陽光電源（300274.SZ）、先導智能（300450.SZ）等。

 

目前，氫氣的制取主要有三種主流的技術路線：以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源重整制氫（灰氫），以焦爐煤氣、 氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產物提純制氫（藍氫）；以電解水制氫為代表的可再生能源制氫（綠氫）。

 

電解水制氫技術主要有四種：堿性水電解（Alkaline, ALK）、質子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜電解(AEM)和固體氧化物水電解（SOE），國內目前成熟商業化應用的技術是堿性水電解制氫（ALK), 處于示范應用的是質子交換膜電解（PEM), SOE電解水技術和陰離子交換膜電解(AEM)更多處于實驗室研發階段。

 

 

 

招商證券預計，5-10年內，電解水制氫成本將降至20元/kg以內，成本下降的驅動力主要來自兩塊，“光伏、風電等可再生能源發電成本的大幅下降”和“電解槽設備成本隨著技術進步和規模化將在2030年前下降60%-80% ，電解水制氫系統的耗電量和運維成本降低。”

 

按照IRENA的報告，未來10年內，電解槽的成本將下降80%以上，通過可再生電力電價下降、電解槽效率提升、電解槽運行時間加長、電解槽壽命提升、資金成本下降等措施，可以推動實現電解制氫的整體成本下降80%以上。

 

 

目前來看，堿性電解槽的成本較低，經濟性較好。隨著燃料電池技術的不斷成熟，PEM電解槽的成本和市場份額將逐漸提高，與堿性電解槽接近持平，并根據各自與可再生能源電力系統的適配性應用在光伏、風電領域。

 

根據中國氫能聯盟2021年發布的《可再生氫100行動倡議》，力爭到2030年實現國內可再生能源制氫裝機規模達到100吉瓦。100吉瓦大概相當于我國光伏發電兩年的新增裝機規模，實現這個目標其實并不容易，影響可再生能源制氫進程的最大因素就是成本。目前，這一成本在每公斤30塊錢上下，而業內希望用10年時間，把成本降到每公斤15塊錢，這樣一來，氫能無論是做工業原料還是燃料，都會有很強的競爭力。

 

02、堿性制氫技術特點

 

一般來說，電解槽包括電堆（STACK), 在電堆中水被分裂成氫氣和氧氣；電解槽還包括BOP輔助設備，有供電、供水、提純、壓縮等設備，也可能有氫氣緩沖容器和氫氣處理裝置。電堆和輔助設備都是成本的重要組成部分，就目前短期來說，最大的成本下降空間在輔助設備，當然同時也要在電堆上投入研發去提升電堆性能和壽命，在此中間可能還要考慮各種權衡利弊，比如提升性能可能會帶來對電堆壽命的影響等等。

 

 

2.1、電池層面

 

相比其他電解技術，堿性電解槽的電堆和系統設計都簡單一些，也容易制造。目前，堿性電解槽的電極面積已經高達3平方米，它們以高濃度的氫氧化鉀（30%KOH）作為電解液，電解槽隔膜是由開放式網狀聚苯硫醚（PPS)織物組成，該PPS織物上再勻稱地涂有聚合物和氧化鋯（ZrO2）的混合物，而電極材料是不銹鋼材料上噴涂一層金屬鎳。

 

在電池中，離子電荷載體是氫氧根離子（OH?），KOH和水能夠透過隔膜的多孔結構進行滲透，以此提供電化學反應功能。電解液的滲透會導致溶在電解液中的氫氣和氧氣產品的互相混合，這限制了更低的電壓操作范圍，也限制了堿性電解槽在更高壓力下運行的能力。為了防止氫氧氣的混合，電解槽制造商使用更厚的隔膜，但這會帶來更高的電阻和更低的電解效率。有時有些電解槽制造商還會在電極和隔膜之間再加入墊片，以進一步防止氣體的混合。這種更厚隔膜或加入墊片的設計導致高的電極間歐姆電阻，大大降低了給定電壓下的電流密度。今天的先進電解槽設計，采用零間隙的電極、更薄的隔膜（500um）和不同的電催化劑概念來提高電流密度，這些先進設計降低了堿性電解槽技術與PEM電解技術相比的差距。

 

2.2、系統層面

 

系統部件

 

電解槽有關的設備受到技術選擇的影響，有必要對不同的零部件進行一體化設計，在滿足需求的同時達到低的成本。

 

堿性電解槽要求對進出電堆的電解液（KOH）進行循環，這樣產生的壓降可能需要泵送設備加壓，雖然占整體耗電不到0.1%，但有些電解槽供應商的設計可能會因此消耗更多的電。有些堿性電解槽設計不采用泵送外設。堿性電解液在離開電堆之后，需要和產生的氣體（O2/H2)通過氣液分離器進行分離，分離之后的電解液重新回流到電堆，這樣液體和氣體就分別從底部和頂部進行分離（見Figure 4)，分離器中的水柱還可以充當緩沖容器。

 

 

水管理系統調節每一個氣液分離器的液位，同時需要考慮滲透通過隔膜的水量，因為在電解槽電化學反應中，水被溶劑化的分子和電荷傳送到陽極，在陰陽極的氣液分離器之間也需要安裝一個混合管，用來平衡電化學反應中產生/消耗的氫氧根電荷。這種平衡陰陽極之間電荷的要求使得電堆在不同的壓力下運行帶來更多的挑戰。

 

氫氣處理：壓縮

 

從電解槽中得到的氫氣是氣態的，通常從大氣壓力到30bar的壓力。為了有利于運輸，同樣重量的氫氣當然體積越小越好。我們之前的文章討論過關于氫氣儲存的方法，要實現更小的氫氣體積無非就是以下幾種方法：要么加壓對氫氣進行壓縮，要么將其低溫液化，要么用LOHC液態有機氫氣載體的辦法。對氣體壓縮能實現很大的不同，譬如將氫氣從大氣壓下壓縮到70Bar, 那么氣體的體積就減少了65倍。而如果將氫氣從大氣壓下壓縮到1000bar，那么體積將減少625倍，氫氣液化后體積減少的倍數是870倍。

 

主要有三種方法實現壓縮：一是標準分開式的壓縮機，二是改變電解槽的操作壓力，三是使用獨立的電化學裝置。單純從設備數量和工藝復雜性來說，在電解槽中同時實現氫氣生產和氫氣壓縮當然是最有吸引力的方案。但是由此帶來的劣勢是要求電解槽的設計能夠抗受高的壓力（成本考慮），還有就是氣體通過隔膜進行滲透的潛在可能性會提高。隨著電解槽里面的壓力提高，氣體的滲透損失提高，這意味著更多的氫氣出現在氧氣端（陽極）而不是出現在產品端（陰極），因此將帶來更多的能源消耗以及陽極更大的安全風險。

 

總體來說，氫氣產品的壓縮在成本整體制氫成本中占很小的一部分。在這兩方面，可以考慮兩個因素：第一個因素是規模。大功率、大型的壓縮機肯定比小型的壓縮機效率要高，因此帶來更小的成本。第二個因素是最終交付的氫氣壓力。如果壓力高于電解槽本身所需的操作壓力，那么需要進行機械壓縮。在這種情況下，采用大功率的壓縮機設計，能夠達到電解槽中的成本下降，這將是比較有吸引力的。

 

電力系統

 

電力供應系統在電解槽中占的成本分量比較重（占總成本的20-30%），但是有很大的降本空間。對一個小規模的電解工廠來說，電力供應通常作為電解槽制造商們賣給用戶的設備套裝中的一部分，或者來自EPC承包商給每個工廠進行定制化的設計。隨著工廠設施的規模增長，大型電力設備制造商將提供標準化的大型電站規模級的電力供應系統。另外，通過對電解工廠不同設備進行仔細的系統整合，可以進一步實現優化，優化整個電解工廠而不是單獨的設備，充分利用輔助設備中不同部分的效率提升，包括電力供應系統。

 

電解水制氫工業從太陽能發電行業的改進、效率提升中受惠良多，電力供應在最大化電解工廠的效率方面也扮演了一個重要的角色。按照Kim et. al. 2013年的一份研究表明，盡管電解槽電堆隨著電壓升高、功率升高帶來效率的線性下降，但是整流器在低的負載下效率也很低。取決于所期望的運行條件，電力供應系統的規模和設計能夠得到優化，從而最大化系統的效率，也就是從電力輸入到氫氣輸出之間效率損失的最小化。

 

總體來說，能通過規模經濟、標準化的設計、專業電力設備供應商的參與而非電解槽制造商自行設計，電力供應系統的成本能夠得到下降。

 

另外，綠氫生產中所需要用到的水，因為水不構成規模化放大電解制氫的障礙，水和供水系統在整體成本中的占比也幾乎可以忽略不計，因此在本節中就不做過多介紹。

 

2.3、電解槽設計中需要考慮的折衷

 

從供應端來說，綠氫的前景取決于電解槽的性能，研發策略需要考慮解決的關鍵維度包括：

 

電解電池、電堆、系統的效率提升（降低制氫運營成本）；

 

電堆電流與電池和電堆的容量直接相關，也和氫氣生產直接相關；

 

壽命提高到超過10萬小時；

 

CAPEX投資成本下降(電堆和系統）。

 

但是，這四個維度是相互關聯的，一個維度改善往往導致另一個維度上的性能變差。比如，加大隔膜厚度當然可以帶來機械強度以及使用壽命的提升，但是它同時提高了電荷傳輸的電阻，這樣就帶來電解效率的下降。誠然，更長的使用壽命對投資成本下降貢獻良多，但是更低的電解效率，電力消耗更高，又導致更高的運營成本。圖5（Figure 5)顯示了一些獨立的選擇決定可能對其他維度帶來的正面或負面的影響。

 

 

電解槽應用于某一特定的商業案例也會影響這些參數的優化。比如，一個電解槽如果和光伏發電耦合，一年通常只能運作少于2000個小時，這樣使得資本成本變成一個需要重點解決的參數。在如此有限的運營小時，壽命就不是一個需要重點考慮的問題了，因為短的運營時間將帶來更長的實際使用壽命。這可能會考慮使用稍為便宜的材料，但是退化更快一些。如果一個電解槽和光熱發電（CSP）進行耦合，那么就是另一種情況了。光熱發電有更長的年運營小時，但是電力價格更高一些，使得效率變成一個更為重要的運營成本考慮點。

 

通常來說，電解槽一個維度性能的提升，將不可避免帶來另一個維度性能的下降。這就要在創新研發的過程中需要多方考慮，取得平衡和折中，而不是單一性能的最佳設計。

 

有關于材料和零部件的壽命

 

電解槽的壽命是一個累積通過電堆的電流的函數。堿性電解槽目前是最穩定耐用的，已經在行業中證明可以使用超過30年壽命。影響壽命的一些考慮因素包括：

 

氣體滲透。我們知道在電解槽中，隔膜暴露在不斷流動的KOH溶液中，氣體滲透，還有因為電極涂層上雜質沉淀而產生的局部過熱點。這將最終形成小的針孔故障，隨著時間推移針孔故障變大，導致氣體污染。由于電堆有很大的面積，達到直徑3米，并且有上百個甚至幾百個電池，因此對針孔故障進行檢查似乎不大可行。相反，對氧氣流進行監測，當氧氣流中的氫濃度達到2%時，電堆就要送去維修或進行其他處置。一個解決方案是使用聚苯硫醚（PPS) 織物，這會給氫氣生產效率帶來負面影響，但是對壽命有好處，因為它能限制氣體的滲透。

 

電極。在一些系統設計中，通過使用一個幾微安培的無功保護電流來防止陰極和陽極的電極鈍化，避免陰極的反轉電位。

 

鎳合金。高度腐蝕性的高濃度KOH溶液需要無機物氧化鋯（ZrO2）隔膜，鎳基或鋅基的材料。要求鎳合金中不能含鉻和鐵金屬，因為這兩種金屬會在電解液中釋出，最終污染電極而降低電解效率和電極壽命。

 

水中雜質。低品質的水質將導致設備的老化退化，因此設備的使用壽命受到影響。很多元部件，包括隔膜及其他部件可能會被水中的雜質如鐵，鉻，銅，硅，鋁，硼受到不良的影響。

 

氫氣生產設施的效率

 

綠氫生產設施的系統效率，用生產每公斤氫氣消耗多少kWh電力來衡量（kWh/kgH2），是電池效率、電堆效率、輔助設備（BOP）等各自效率的結果。

 

電池：效率曲線隨著負載水平從高到低而呈線性下降，因此電流輸入越高，電堆效率越低。自然來說，電池運作時間越長，由于老化原因電池的效率會降低。在實際運行中，電池電壓是實際測量的參數用來推斷系統的性能，這樣的方式我們可以知道，電池電壓越高，電堆的效率就越低。堿性電解槽通常運行在0.2-0.8 kW A/cm2的電流密度范圍內，主要是由于目前使用的隔膜和電極無法在更高電流密度的條件下運行。

 

BOP輔助設備：一系列系統元件，例如冷卻，提純，熱管理，水處理等等，為了正常運行也需要消耗電力，因此也需要在整體效率中予以考量。系統效率損失可以通過以下進行減少：采取以系統為整體的思考方法來設計電解槽設施；使用市面上能大量供應而不是定制化的元部件/原材料；最大化考量包括BOP在內的系統效率提升，有時根據特定的應用場景進行一些調整設計。整流器是BOP中的一個關鍵元件。筆者回憶起20年前在一個大型PCB工廠擔任電鍍制程的制造工程師時，當時通過整修替換一些老化的整流器，而使整個工序的單位用電強度得以大大降低。通常來說，整流器的效率在低負載的時候比較低，隨著負載到15-20%的時候效率快速改善，從這個負載開始然后保持相對高的效率運行。因為這個緣故，多個電堆使用同一個整流器，這樣整體的效率會得到提升。采取這種方式，將降低所需要的整流器，投資成本降低，同時也能保持在較高效率水平運行，這種方式特別適合20MW或更大規模的制氫工廠。當然作為一個缺點，系統變得沒有那么靈活。

 

2.4、成本：目前狀態

 

盡管市場已經可以供應，技術也已經成熟，但是從投資成本和運行成本來看，與傳統化石能源制氫（灰氫、藍氫）相比，無論是堿性電解槽還是PEM電解槽仍然有很大的成本下降空間。PEM電解槽更是比堿性電解槽貴超過50-60%以上，給這些非化石能源制氫技術的市場滲透造成了很大的障礙。當考慮到經濟規模，自動化，零部件供應商增加，大規模市場需求，能源存儲的大量部署應用等這些因素，堿性電解槽和PEM電解槽都被認為還有很大的成本下降空間。

 

目前這個階段對電解槽進行成本估計主要有兩個問題。第一個是考慮到電解槽供應商出于保密和保持競爭力的訴求，缺乏相關的數據。第二個是成本評估的邊界還在變化中，沒有辦法保持穩定一致。面對這些挑戰，只能通過文獻查找，行業專家咨詢驗證，同行專家評估等得到側面的驗證和評估。

 

如下圖6中顯示，在電堆中，超過50%的成本和電極/隔膜有關，與之對比的是PEM電解槽中CCM占到電堆成本的25%左右。大量的成本和電極制造相關，在制造這個環節，邊干邊學、制造工藝的自動化、規模經濟都會對降低成本、提高生產效率起到重要的作用。堿性電解槽中，雙極板的成本只占很小的一部分，而在PEM電解槽中雙極板的成本占到50%以上，因為在堿性電解槽中雙極板設計相對簡單，制造相對容易，而且使用相對便宜的材料（表面涂覆鎳層的不銹鋼）。

 

 

根據有關報道和市場了解到的情況，目前堿性電解槽系統的出貨價在2000元/KW左右，已經低于表1中2020年堿性槽的KPI指標下限（500美元/KW），但還有很多的成本下降空間。結合上圖6中每個零部件在整體系統的成本占比，可以看到堿性槽未來成本下降空間的優先考慮方面：電力供應是一個最大的成本下降方面，接下來是電極和隔膜的生產制造方面。根據我們的了解，目前已經有國內的廠商能生產同等質量的復合材料隔膜，且目前成本在600-800元/平米之間，之前主要有國外廠商如AGFA供應，隔膜材料成本在兩倍以上。