01 堿性水電解技術(shù)(ALK)

是指在堿性電解質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行電解水制氫的過程，電解質(zhì)一般為30%質(zhì)量濃度的KOH溶液或者26%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。

較之于其他制氫技術(shù)，堿性電解水制氫可以采用非貴金屬催化劑，且電解槽具有15年左右的長使用壽命，因此具有成本上的優(yōu)勢和競爭力。

堿性電解水制氫技術(shù)已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在20世紀(jì)中期就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，商業(yè)成熟度高，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，國內(nèi)一些關(guān)鍵設(shè)備主要性能指標(biāo)均接近于水平，單槽電解制氫量大，易適用于電網(wǎng)電解制氫。但是，該技術(shù)使用的電解質(zhì)是強(qiáng)堿，具有腐蝕性且石棉隔膜不環(huán)保，具有一定的危害性。

堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性電解槽主體和輔助系統(tǒng)(BOP)。

堿性電解槽主體由端壓板、密封墊、極板、電板、隔膜等零部件組裝而成，電解槽包括數(shù)十甚至上百個(gè)電解小室，由螺桿和端板把這些電解小室壓在一起形成圓柱狀或正方形，每個(gè)電解小室以相鄰的2個(gè)極板為分界，包括正負(fù)雙極板、陽極電極、隔膜、密封墊圈、陰極電極6個(gè)部分。

 堿性電解槽主要成本構(gòu)成為：電解電堆組件45%和系統(tǒng)輔機(jī)55%；

02 陽離子/質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)(PEM)

該技術(shù)是指使用質(zhì)子（陽離子）交換膜作為固體電解質(zhì)替代了堿性電解槽使用的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)(30%的氫氧化鉀溶液或26%氫氧化鈉溶液)，并使用純水作為電解水制氫原料的制氫過程。

和堿性電解水制氫技術(shù)相比，PEM電解水制氫技術(shù)具有電流密度大、氫氣純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且，PEM電解水制氫技術(shù)工作效率更高，易于與可再生能源消納相結(jié)合，是目前電解水制氫的理想方案。

但是由于PEM電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行，因此設(shè)備需要使用含貴金屬(鉑、銥) 的電催化劑和特殊膜材料，導(dǎo)致成本過高，使用壽命也不如堿性電解水制氫技術(shù)。

目前，我國的PEM電解槽發(fā)展和國外水平仍然存在一定差距，國內(nèi)生產(chǎn)的PEM電解槽單槽最大制氫規(guī)模大約在260標(biāo)方/小時(shí)，而國外生產(chǎn)的PEM電解槽單槽最大制氫規(guī)模可以達(dá)到500標(biāo)方/小時(shí)。

PEM電解水制氫系統(tǒng)由PEM電解槽和輔助系統(tǒng)(BOP)組成。

PEM電解槽由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層和雙極板等零部件組裝而成。電解槽的最基本組成單位是電解池，一個(gè) PEM電解槽包含數(shù)十至上百個(gè)電解池。

質(zhì)子交換膜電解槽成本中45%是電解電堆、55%是系統(tǒng)輔機(jī)；其中電解電堆成本中53%是雙極板；膜電極成本由金屬Pt、金屬Ir和制備成本四要素組成。

由于PEM電解槽的質(zhì)子交換膜需要150-200微米，在加工的過程中更容易發(fā)生腫脹和變形，膜的溶脹率更高，加工難度更大，主要依賴于國外產(chǎn)品。

【依據(jù)行業(yè)內(nèi)多家主流廠商的數(shù)據(jù)分析，PEM電解槽的2025年及2030年的主要技術(shù)參數(shù)和投資水平如下：】

03 固體氧化物水電解技術(shù)(SOEC)

SOEC使用固態(tài)陶瓷作為電解質(zhì)，需要在500~1000℃的高溫下反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)上的優(yōu)勢使其可以達(dá)到或接近100%的轉(zhuǎn)換效率，使用的催化劑不依賴于貴重金屬。

SOEC電解槽進(jìn)料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣(氫氣和一氧化碳的混合物)，再進(jìn)一步生產(chǎn)合成燃料 (如柴油、航空燃油)。因此SOEC技術(shù)有望被廣泛應(yīng)用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學(xué)合成品，這是歐盟近年來的研發(fā)重點(diǎn)。

雖然該技術(shù)制氫過程電化學(xué)性能顯著提升，效率更高。但目前以下缺陷都制約著該技術(shù)的應(yīng)用場景選擇與大規(guī)模推廣:

①電極的機(jī)械性能在高溫下不夠穩(wěn)定；

②高溫還會(huì)導(dǎo)致電解槽中玻璃—陶瓷密封材料壽命縮短；

③在與波動(dòng)性高、輸出不穩(wěn)定的可再生能源電力匹配方面，高溫反應(yīng)條件的升溫速率也亟待突破。

04 陰離子交換膜電解水技術(shù)(AEM)

AEM是較為新興的電解水制氫技術(shù)，尚處于研發(fā)階段。備受關(guān)注的原因是其采用陰離子交換膜作為電解質(zhì)，將ALK的低成本和PEM簡單、高效的優(yōu)點(diǎn)相融合。

現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)陰離子交換膜材料開發(fā)和機(jī)理研究，主要以國外大學(xué)，國家實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)（如Northeastern University, Los Alamos, University Oregon, Georgia Tech等）。

其與PEM的根本區(qū)別在于將膜的交換離子由質(zhì)子換為氫氧根離子。氫氧根離子的相對分子質(zhì)量是質(zhì)子的17倍，這使得其遷移速度比質(zhì)子慢得多。

AEM的優(yōu)勢是不存在金屬陽離子，不會(huì)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀堵塞制氫系統(tǒng)。AEM中使用的電極和催化劑是鎳、鈷、鐵等非貴金屬材料，且產(chǎn)氫的純度高、氣密性好、系統(tǒng)響應(yīng)快速，與目前可再生能源發(fā)電的特性十分匹配。

但AEM膜的機(jī)械穩(wěn)定性不高，AEM中電極結(jié)構(gòu)和催化劑動(dòng)力學(xué)需要優(yōu)化。AEM電解水技術(shù)處于千瓦級的發(fā)展階段，在全球范圍內(nèi)，一些研究組織/機(jī)構(gòu)正在致力于AEM水電解槽的開發(fā)，為了擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，仍然需要一些創(chuàng)新與改進(jìn)。

【根據(jù)IEA披露的數(shù)據(jù)，截至2022年底，全球電解水制氫裝機(jī)容量達(dá)700MW， ALK制氫，占比近60%，其次是PEM電解制氫，占比超30%，其他電解制氫方式占比較低】

針對前面四種應(yīng)用廣泛的電解水制氫技術(shù)路線的技術(shù)成熟度，技術(shù)難點(diǎn)及未來突破的方向、適用的場景，制造和運(yùn)行的成本，未勢能源逐一詳細(xì)分析對比了個(gè)技術(shù)路線的優(yōu)勢和劣勢，總結(jié)如下：