“氢”风徐来——华西证券氢能产业研究·制氢·电解水

——华西证券氢能产业研究·制氢·电解水

碱性电解技术成熟，单台装置规模可达1000Nm³/h以上，系统寿命长，成本较低，易于实现大规模应用，是目前主流电解技术。碱性电解槽在20世纪中期便实现商业化，其工作原理为：在电流作用下，水通过电化学反应分解为氢气和氧气，并在电解池的阴极和阳极析出。水是弱电解质，需增强其导电能力，因此通常在水中加入NaOH、KOH等碱类物质形成碱性电解质。此外，隔膜为碱性电解槽重要组成，早期，碱性电解槽以石棉作为隔膜材料，但其在碱性电解液中具溶胀性，且石棉对人体有害，现已逐步被耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的聚苯硫醚（PPS）替代。

2. 质子交换膜电解水制氢(PEM)

PEM电解槽与PEM燃料电池结构类似，主要结构为质子交换膜、阴极/阳极催化层、气体扩散层及双极板。PEM电解过程中，水在阳极催化分解为氧气和H+，H+穿过电解质隔膜到达阴极，并在阴极得电子生成氢气。PEM电解槽双极板成本占比远高于碱性电解槽，这主要是由于碱性电解槽双极板设计及制造简单，材料成本低（镀镍钢）。此外，全氟磺酸膜及Ir、Pt等新材料/贵金属在PEM膜电极中成本占比高，碱性电解槽膜/电极核心成本为制备成本。

固体氧化物电解水制氢以Ni/YSZ多孔金属陶瓷为阴极,以钙钛矿型氧化物为阳极,在阴极上的水被电解为氢气和氧离子,氧离子穿过电解质层到达阳极,在阳极上失去电子形成氧气。通常采用8mol%氧化钇(Y2O3)稳定的氧化锆(ZrO3)作为电解质,该电解质在高温下(工作状态下的温度800～1000℃)可以实现阳离子的传输,并且其本身具有良好的热稳定性以及化学稳定性。在较高的温度下,该体系的电化学性能将得到明显提高,最终可使其产氢率达90%以上。[i]

从产能现状来看，全球氢气产能还是以化石燃料制氢为主，占据了2021年产量的80%以上。清洁制氢包括电解水和结合CCUS（碳捕获、利用与封存技术）的化石燃料制氢都占比不到1%。

IEA（国际能源机构）预测到2030年，全球氢气产量将达到1.8亿吨，其中主要增量产量将由电解水制氢满足，电解水制氢将由2021年不到4万吨大幅增长至6170万吨，清洁制氢方案将成为未来的主流趋势。全球市场现状来看，电解水制氢已经步入快速增长期，2021年全球新增装机209MW，同比增长2.4倍。IEA估计，2022和2023年全球制氢电解槽的新增装机将分别达到0.9GW和4.1GW。

从电解槽的装机容量来看，碱性电解槽技术成熟，是目前的主流路线，与此同时PEM路线亦成长迅速。IEA根据现有氢能项目部署情况估算，2022年全球碱性电解槽累计装机量至少为727MW（部分项目未披露技术路线），占总装机规模的52%。PEM电解槽装机占比不断提升，2022年累计装机至少为366MW，同比增长近200%；2023年累计装机量有望接近碱性电解槽，超过1GW。

PEM、SOEC方案具有优良的降本增效潜力。提高电流密度是降低电解槽设备单位投资成本的关键因素，但电流密度的提升通常伴随着电解槽电压的升高，从而导致电解效率下降。PEM、SOEC方案可以实现更高的电流密度和更低的电压，降本增效的潜力优良，预计未来对碱性电解槽的替代趋势显著。[ii]

1. 宝丰能源“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”

宝丰能源国家级太阳能电解水制氢综合示范项目包括20万千瓦光伏发电装置和产能为每小时2万标方的电解水制氢装置，为已知全球单厂规模最大、单台产能最大的电解水制氢项目。该项目引进了单套产能1000标方/小时的电解槽以及气化分离器、氢气纯化等装置系统，其先进性已达到国内先进水平。项目通过太阳能生产绿色电能，再用绿色电能作为动力，通过电解水制取出“绿氢”和“绿氧”，用“绿氢”替代原料煤制氢，用“绿氧”替代燃料煤制氧，直供化工系统生产聚乙烯、聚丙烯等上百种高端化工产品。

2019年，宝丰能源启动新能源替代战略，率先布局氢能产业，目前公司“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”首批装置建成，项目制氢综合成本为1.34元/标方。下一步，宝丰能源将通过科技创新提高转化率，降低生产成本，使发电成本控制在0.068元/度，绿氢成本可控制在0.7元/标方。项目全部投产后，将每年可减少煤炭资源消耗25.4万吨，减少二氧化碳排放约44.5万吨，社会环境效益显著。[iii]

2. 中国石化兆瓦级PEM电解水制氢装置

2022年12月14日，中国石化首套自主研发的兆瓦级质子交换膜（PEM）电解水制氢装置在燕山石化成功开车，产出合格高纯度氢气。该项目年产氢180吨，生产全过程实现零碳、零污染物排放，标志着中国石化质子交换膜电解水制氢成套技术实现工业应用，将有效助力我国氢能产业链发展。

中国石化采取集成设计、一体成撬的设计理念，开发并建造了单槽兆瓦级PEM电解水制氢装置。整撬围绕电解槽进行整体布局和管路优化设计，撬内包括电解槽、电解槽供电系统、维持电解槽运行的水气分离系统，以及满足氢气质量要求的纯化系统，占地面积不到40平方米。相较于多电解槽组合而成的制氢装置，单电解槽技术难度大，对材料和制造工艺要求更高，但其体积小、功率密度高、成本更低，是电解槽未来发展的主要方向。[iv]

3. 中国船舶集团全球首台套单体产氢量2000Nm3/h电解水制氢装备

2022年12月，全球首台套单体产氢量2000Nm³/h的电解水制氢装备成功下线。该设备由中国船舶集团第七一八研究所下属中船（邯郸）派瑞氢能科技有限公司研发生产，电解槽单槽产氢量为2000Nm³/h，可扩容3000Nm³/h，与原有技术相比，其运行电流密度提升30％，电解槽槽体重量降低40％，整套制氢系统具备10％-120％的动态调节能力，系统能耗可达到甚至优于国标一级能效标准，可显著降低30％的运营成本，可广泛应用于绿色能源、氢化工、氢冶金、储能、交通等领域。

该装备成功下线标志着我国绿氢行业水电解制氢装备与技术取得国际性突破，推动我国水电解制氢装备与技术迈上了新台阶，将绿氢制取装备“中国制造”推向了新高度。[v]

引用

[i]《电解水制氢技术路线简述》https://www.elecfans.com/d/2092960.html

[ii]《全球最大电解水制氢项目在宁夏投产宝丰能源或于2040年实现“碳中和”》

https://www.163.com/dy/article/I32OA0FJ05198RSU.html

[iii]《绿氢产业爆发在即，关注电解槽和材料环节机会》

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1697545421874225313&wfr=spider&for=pc

[iv]《中国石化首套自主研发兆瓦级PEM电解水制氢装置投产》http://www.sinopecgroup.com/group/xwzx/gsyw/20221215/news_20221215_320968485161.shtml

[v]《中国石化首套自主研发兆瓦级PEM电解水制氢装置投产》

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752640804775721238&wfr=spider&for=pc