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中國成為全球水電解制氫領域領導者

   2025-05-07 中國改革報

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核心提示:日前,中國產業(yè)發(fā)展促進會氫能分會聯(lián)合30余家氫能產業(yè)龍頭企業(yè)和科研院校共同編寫的《中國氫能技術發(fā)展研究報告2024》(以下簡稱

日前,中國產業(yè)發(fā)展促進會氫能分會聯(lián)合30余家氫能產業(yè)龍頭企業(yè)和科研院校共同編寫的《中國氫能技術發(fā)展研究報告2024》(以下簡稱《報告》)在北京發(fā)布。《報告》著眼于我國氫能全產業(yè)鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,圍繞氫能“制儲輸用”各關鍵環(huán)節(jié),從技術發(fā)展現(xiàn)狀、不同技術路線對比、核心技術與關鍵裝備水平、國內外技術水平比較等方面進行了全面梳理,并立足全球氫能技術前沿發(fā)展方向與我國氫能產業(yè)發(fā)展實際需要,分析并提出了我國氫能全產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)關鍵技術發(fā)展方向的科學建議。

《報告》顯示,中國已成為全球電解槽的主要供應商,并在江蘇、廣東、河北等地形成了多個產業(yè)發(fā)展集群。據(jù)中國產業(yè)發(fā)展促進會氫能分會數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計,截至2024年9月,國內水電解制氫設備廠商名義總產能達到32吉瓦,占全球電解槽總產能的60%以上。《報告》詳細分析了堿性水電解制氫(ALK)技術、質子交換膜水電解制氫(PEM)技術、固體氧化物水電解制氫(SOEC)技術以及陰離子交換膜水電解制氫(AEM)技術等4種主要水電解制氫技術發(fā)展現(xiàn)狀。

《報告》指出,我國ALK電解槽正在快速向低能耗、大標方邁進,國內電解槽產品能耗達到國際先進水平,單槽產氫量達到國際領先水平。ALK技術可分為圓形帶壓和方形常壓兩大技術路線。國內ALK電解槽企業(yè)多采用圓形帶壓技術路線,相關供應鏈配套也相對成熟。圓形帶壓電解槽采用拉桿緊固結構設計,更容易實現(xiàn)壓力密封,但該路線對于材料耐壓性能要求高,存在設計和制造難度大、運輸不便、停機維修成本較高等問題。方形常壓電解槽借鑒成熟的氯堿電解槽設計理念,運用零間隙技術,因此密封性更好,且內部流場分布更均勻合理,對端板、框架等強度要求低,便于實現(xiàn)大型化。但為降低能耗,方形常壓電解槽一般采用貴金屬電極、復合隔膜和純鎳極板,因此成本較高且出口壓力較低,下游應用需額外配備增壓設備。同時,方形常壓電解槽通過模塊化路線,可兼具ALK電解槽壽命長、價格低和PEM電解槽啟動時間短、靈活性高、電耗低等優(yōu)點。但是由于單個模塊制氫規(guī)模小,大量模塊堆疊將造成系統(tǒng)復雜度提升,且成本也高于圓形帶壓電解槽。

《報告》研究發(fā)現(xiàn),采用ALK電解槽與PEM電解槽搭配以平衡經(jīng)濟性和加強負荷波動響應能力的新模式正在成為大型制氫項目的優(yōu)選方案之一。PEM電解槽市場需求的逐步釋放,帶動我國PEM技術與裝備水平快速進步,截至2024年9月,我國PEM電解槽單槽產氫能力最大已達500Nm3/h,處于國際先進水平。膜電極、催化劑、質子交換膜等核心材料的技術研發(fā)與國產化替代進程也呈現(xiàn)加速趨勢。國產PEM電解槽膜電極已進入小批量出貨階段。核心材料的不斷突破,有利于國產裝備與材料應用規(guī)模不斷提升,在推動技術成熟度與可靠性提高的同時,帶動成本降低。整體來看,國產PEM電解槽的性能指標與國外品牌基本相當,系統(tǒng)集成及BOP已實現(xiàn)國產化和規(guī)模化量產。與此同時,雖然國產膜電極市場占有率快速提升,但碳紙等膜電極核心材料的國產化產品在工藝穩(wěn)定性和應用規(guī)模等方面仍有較大提升空間。

SOFC/SOEC的可逆性較強,且兩者制備過程及所用材料基本一致,因此國內外從事SOEC的企業(yè)大多是從SOFC轉型而來。主流SOEC技術可分為管式結構和平板式結構兩種。目前平板電池結構是SOEC電池的主流結構。國內SOEC電解槽單槽功率達到百千瓦級別。隨著國內SOEC電解槽在項目中應用規(guī)模的擴大,系統(tǒng)集成工藝和設計水平將逐步提升,SOEC電池與電堆供應鏈也將逐漸完善。《報告》認為,我國SOEC電解槽將于2025年開始從工程化向商業(yè)化邁進,并于2030年達到較高的商業(yè)化水平。

相比ALK技術,AEM技術具有更快的響應速度和更高的電流密度;而相比PEM技術,AEM技術的制造成本更低,因此AEM技術被視為電解水制氫技術未來的主要發(fā)展方向之一。2024年以來,我國AEM技術不斷突破,已呈現(xiàn)加速發(fā)展勢頭,國內多家企業(yè)相繼發(fā)布AEM產品。目前國內企業(yè)已完成500千瓦裝備的開發(fā),單槽直流能耗為3.6kWh/Nm3~4.3kWh/Nm3,功率波動范圍為5%~120%,冷啟動時間小于10分鐘。解決陰離子交換膜熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性差、傳導能力有限、壽命相對較低、單槽產氫量小等問題,將成為決定AEM技術商業(yè)化進程的關鍵。《報告》預計,未來我國將形成“以ALK+PEM為主線,SOEC與AEM為補充”的發(fā)展模式。

(作者系中國產業(yè)發(fā)展促進會氫能分會高級研究員)




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