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四种类型的电解槽部件分析

氢能是二十一世纪的“终极能源”。氢能来源广泛，具有能量密度高、清洁安全、灵活高效、应用场景广泛、储运方式多样等优点，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想能源载体，被誉为二十一世纪的“终极能源”，受到各国的广泛关注。

图：全球终端能源消费份额现状和预测来源：国际能源署（IEA）；国际可再生能源机构（IRENA）

目前我国主要以灰氢为主，绿氢是未来的主要发展方向。根据中国煤炭工业协会的数据，2020年中国氢气产量超过2500万吨，其中煤制氢占62%、天然气制氢占19%、工业副产制氢占18%，而电解水制氢仅占1%左右。尽管传统化石原料制取的灰氢在中短期内仍将占据市场主流地位，绿氢作为理想的零碳排放可持续能源，随着政策的推进和技术的不断突破，有望逐渐取得更大的市场份额，成为未来低碳经济的主流发展方向。

氢能产业链较长，绿氢制取有望率先受益。氢能产业链涵盖氢气的制取、储存、运输、加氢以及下游应用等环节。随着国家政策的不断加码和绿氢制取技术的不断进步，绿氢制取环节的投资有望最先启动。图：氢气制取方法分类

四种类型的电解槽及部件分析

电解水制氢具有纯度等级高、与可再生能源结合紧密等特点，相比核能制氢、光催化制氢等仍处于实验室阶段的技术路线，是公认未来最有发展潜力的绿氢制备方式。

水电解制氢主要发生场所为电解槽，电解槽将水在直流电的作用下电解成氢气和氧气。根据IRENA的统计，以1MW碱性水电解系统为例，电解槽在整个电解水制氢系统中的成本约占45%。电解槽的每个电解小室分为阳极小室和阴极小室，阴极小室产生氢气，阳极小室产生氧气。目前市场对电解槽的主流性能要求为氢气纯度高，能耗低，结构简单、制造维修方便便宜。

主流的电解水制氢技术包括碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、高温固体氧化物电解（SOEC）以及固体聚合物阴离子交换膜电解（AEM）四种。在我国，ALK水电解技术已经完成商业化，产业链整体比较成熟，PEM技术目前处于商业化初期，受益于各地政策规划，未来行业规模与产业链国产化趋势有望进一步加强；SOEC与AEM技术目前大部分处于研发与示范阶段，仅有少量产品试点商业化。图：ALK、PEM、AEM和SOEC电解水制氢技术对比

ALK电解槽：目前电解水制氢产业化的首选，未来存在降本空间。

ALK电解水制氢技术是指在碱性电解质环境下电解水制氢的技术。与其他水电解设备相比，ALK电解槽的优势在于极板中不含有贵金属，造价相对较低且技术成熟，而ALK电解槽的劣势在于要求电力稳定可靠，不适用风光等间歇性电能，氢气纯度相比PEM、SOEC等电解槽较低。ALK电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成，包括数十甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形。

图：ALK电解槽结构示意图

电解液方面，工业上多使用质量分数为30%的KOH溶液或质量分数26%的NaOH溶液。

隔膜方面，PPS复合膈膜是主流ALK电解槽膈膜的使用材料，国内复合膈膜市场主要由东丽、AGFA等厂商垄断，且每平米价格在400-900元左右，按1000标方的电解槽所需1200平米隔膜计算，单台电解槽的膈膜成本在48000元左右，国产替代与降本依然是未来研发的重点。

催化剂选择方面，国内目前的ALK电解设备生产商主要采用镍基催化剂，制备工艺较为成熟，随着未来ALK电解槽制氢规模的进一步提升，镍网催化剂有望朝着有这个更大表面积，更多催化位点的雷尼镍催化剂方向发展。极板方面，目前主流极板整体采用制造难度较高且容易短路的碳钢金属板材，占ALK电解槽成本20-30%，未来寻找成本低廉、密度较低且性能优良的极板材料是ALK降本方向。图：ALK电解槽成本构成

PEM电解槽：性能相比ALK更优，未来制造成本有望进一步降低。

PEM电解水制氢技术是指使用质子交换膜作为固体电解质，使用纯水作为电解水制氢原料的水电解制氢技术。与ALK电解槽相比，PEM电解槽具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优势，更适合与风光储技术相结合。但是由于PEM电解槽需要在强酸和高氧化性的工作环境下运行，因此PEM电解槽对于贵金属材料例如铱、铂、钛的依赖度更高，导致目前的PEM电解槽设备造价较高。图：PEM电解槽结构示意图

PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板，其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极（MEA），是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM电解槽的性能和寿命。

目前PEM电解槽中所用质子交换膜多为全氟磺酸质子交换膜，主要依靠进口。随着我国东岳未来、科润新材等国内头部质子交换膜生产商的产能扩张进度加快，我国质子交换膜的进口依赖