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绿氢产业链之制氢技术全路径介绍

2024-10-30

氢气既是工业气体也是能源载体，应用领域超过20个，年产氢量三千万吨以上的中国是氢气生产和消耗大国。氢能源凭借可储存、可再生、可完全零碳制备、能量密度高等优点，已经在全球各国的能源结构中扮演着越来越重要的角色。美中不足的是，绝大部分氢气的生产主要来源于化石燃料及副产氢，过程中带来额外的二氧化碳排放。显然，这并不能满足双碳目标的要求，也不符合人类绿色发展的美好愿景。

各国际能源机构对2050年氢能在全球能源总需求中占比预测

数据来源：毕马威、华鑫证券

目前主流电解水制氢技术路径有四种，它们分别是：碱性电解水制氢（ALK）、固体氧化物电解水制氢（SOEC）、阴离子交换膜制氢（AEM），以及即将迎来商业化的质子交换膜电解水制氢（PEM）。面对碳减排压力，电解水制氢或许是眼前工业化制氢技术中接近零碳排放的制氢技术。电解水制氢技术迭代应用将直接减少化工、石化以及交通、氢冶金等新旧领域的碳排放。

四种电解水制氢技术参数对比

数据来源：公开资料整理

碱性电解水制氢（ALK）

氢能是生活不太常见的清洁能源，在使用过程中既不产生额外污染，也不排放二氧化碳。不仅如此，氢的能量密度高达 140MJ/kg，是煤炭的 4.5 倍，石油的 3倍，作为兼备清洁和高效两大优势的能源，氢能目前被认为是有望成为实现零碳社会的终极能源之一。自2022年《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》印发，氢能在国内的产业战略地位基本确立。截至目前，全国已有 20 多个省份发布氢能规划和指导意见共计 200 余份，全产业链规模以上工业企业超过 30 家。氢能行业在中国长三角、粤港澳大湾区、环渤海三大区域逐渐形成多股强大的集群力量。

原理：在高浓度氢氧化钾溶液中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应。水分子在阴极分解成氢离子（H+）和氢氧离子（OH-），氢离子与来自阴极的电子结合形成氢气，氢氧离子则到达阳极，生成氧气和水。

碱性电解槽内部构成

来源：高工氢电

缺点：能耗较高，碱性电解水制氢需要消耗大量电能，而且电解效率相对较低；在碱性条件下，电解槽内的电极容易受到腐蚀，导致设备寿命缩短，维护成本增加；碱性条件下的膜稳定性差，碱性环境对膜的稳定性要求较高，膜损坏会导致电解效率下降；碱性电解水制氢产生的氢气纯度相对较低，需要额外的处理步骤才能得到更高纯度的氢气。

由于产品非常成熟，当前低能耗、大标方已成为其主流研究方向：据高工氢电报道，大标方的单体槽制氢设备的成本低于采购同等产量多套设备，2022年碱性电解槽1000 Nm³/h的产品已趋于成熟，国内现有单槽产能共15700Nm^3/h；当前行业的普遍电耗水平在4.5-4.6 kWh/Nm³，降低电解槽的直流电耗是电解槽技术升级的重点。

ALK碱性电解水隔膜发展历程

代际	石棉 (第一代)	聚苯硫醚 (PPS) (第二代)	复合隔膜 (在PPS基底两面涂覆浆料) (第三代)
隔气性	隔气性差	隔气性差	隔气性好
能耗	能耗高	能耗较低	能耗最低
应用	已退出市场	亚洲国家	欧美应用，国内起步

来源：国海证券

固体氧化物电解水制氢（SOEC）

简介：SOEC 的原理是在高温条件下电解水蒸气制氢，总反应为2O→2+。SOEC 电解槽由氢电极层、电解质层、氧电极层构成。氢电极为多孔陶瓷结构，例如 Ni-YSC 金属陶瓷，负责导通电子，传输水蒸气及生成的氢气；电解质为致密的钙钛矿类陶瓷（如 YSZ），可导通氧离子；氧电极为多孔陶瓷结构（如 LSM），可导通，传输空气及生成的氧气。

固体氧化物制氢流程

来源：艾邦氢能

优点：SOEC技术最大优势是电耗低，适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。应用广泛，除了电解水制氢外，SOEC电解槽还可以与二氧化碳合成燃料及利用可逆反应用于燃料电池。另外，SOEC还具有稳定性良好、产氢纯度高等优点。

缺点：高温高湿的工作环境使电解槽选择稳定性高、持久性好、耐衰减的材料受到限制，也制约SOEC制氢技术应用场景的选择与大规模推广。耐久性是SOEC目前的重点问题，热化学循环，特别是系统停、启时，都会加速老化，降低使用寿命。

现状：国际市场SOEC已经进入产业化初期阶段，代表企业有德国的Sunfire、美国的Bloom Energy、Fuelcell Energy和康明斯、丹麦的Topsoe等。

阴离子交换膜制氢（AEM）

简介：AEM利用带有荷正电的基团形成的正电场吸引，从而实现电解液中离子的传递，阻拦阳离子的通过。同样涉及两个半反应：析氧反应（OER）和析氢反应（HER）。

结构：由阴离子交换膜和两个过渡金属催化电极组成，采用纯水或低浓度碱性溶液用作电解质。重要零部件阴离子交换膜的作用是将从阴极传导到阳极，同时阻隔气体和电子在电极间直接传递。在电极上负载催化剂后，再通过与极板、气体扩散层、垫片等组件密封组装。

AEM电解水制氢运行过程示意图

优点：AEM结合了ALK与PEM的优点。在碱性介质中可以使用非贵金属催化剂, 阴离子交换膜除了具有良好气密性、低电阻性之外，还不需要使用昂贵的全氟磺酸膜。此外，AEM可以使用弱碱或纯水为电解液，缓解强碱性溶液对设备的腐蚀和产物气污染问题。

缺点：阴离子交换膜热稳定性与化学稳定性较差，阴离子传导能力有限，不能满足长期运行的要求。其次，AEM电解水制氢技术的规模化生产和成本降低也是需解决的问题。

亿纬锂能AEM膜产品实物图

来源：亿纬锂能

AEM领先制造商意大利ENAPTER小型商业化产品参数

数据来源：公开资料

质子交换膜制氢（PEM）

原理：PEM水电解槽中，水在阳极被分解成氧气（O2）、电子（e-）和质子（H+），氧气从阳极排出。电子通过外电路流向阴极，而质子通过质子交换膜流向阴极。在阴极一侧，两个质子和电子重新结合产生氢气（H2）。

结构：PEM电解槽采用质子交换膜替代了碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，起到离子传导和隔离气体的双重作用。质子交换膜电解槽成本中45%是电解电堆、55%是系统辅机；其中电解电堆成本中24%是膜电极。

PEM 电解水制氢结构原理图

来源：中国节能协会氢能专业委员会，《当代石油石化》

优点：质子交换膜 (PEM) 电解水制氢技术较其它种类电解水方式，其工作电流密度高，电解水效率高, 其反应过程无污染、结构质量轻且紧凑，相同功率下的体积更小, 而且制得的氢气纯度可达到99.999%，被认为是最有前景的水电解技术。

缺点：由于贵金属等原材料价格昂贵，而且工艺生产水平难度较大，质子交换膜产品价格高昂。加上本身电解水制氢质子交换膜厚度较高，成本相对于其他领域应用的质子交换膜高出数倍。

毫无疑问，处于商业化黎明的PEM电解水制氢市场广阔。以权威机构的氢气需求及电解水制氢渗透率等数据为基础，结合国产替代及技术更新带来的PEM在电解水制氢中占比的增长预期，我们最终测算出2020-2050年国内PEM制氢对质子交换膜的需求量如下表：

国内PEM电解制氢质子交换膜需求测算

数据来源：高工氢电，宁波材料所，中国氢能发展报告，中航证券，国海证券

水电解绿氢作为一种清洁能源生产方式，具有巨大潜力。可再生能源发电打开了氢能天花板，未来随着技术不断进步和成本的进一步下降，绿氢需求有望迎来“高斜率”的增长，为实现能源清洁转型和碳中和目标作出重要贡献！