绿氢产业链之制氢技术全路径介绍

绿氢产业链之制氢技术全路径介绍

随着全球对清洁能源需求的不断增加，氢能源凭借其可储存、可再生、零碳排放等优点，已成为各国能源结构中的重要组成部分。在众多制氢技术中，电解水制氢技术因其接近零碳排放的特点而备受关注。本文将详细介绍四种主流电解水制氢技术：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）和质子交换膜电解水制氢（PEM），并分析其各自的技术特点、优缺点及发展前景。

数据来源：毕马威、华鑫证券

碱性电解水制氢（ALK）

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。

数据来源：公开资料整理

优点

• 技术成熟，成本相对较低
• 适用于大规模制氢

缺点

• 能耗较高
• 电解效率相对较低
• 电解槽内的电极容易受到腐蚀
• 产生的氢气纯度相对较低

现状

目前，低能耗、大标方已成为ALK技术的主流研究方向。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15700Nm³/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。

固体氧化物电解水制氢（SOEC）

原理

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。

优点

• 电耗低
• 应用广泛
• 稳定性良好
• 产氢纯度高

缺点

• 高温高湿的工作环境限制了材料选择
• 耐久性较差
• 系统停、启时会加速老化

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）

原理

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。

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。

优点

• 结合了ALK与PEM的优点
• 可以使用非贵金属催化剂
• 电解液可以是弱碱或纯水
• 不需要使用昂贵的全氟磺酸膜

缺点

• 阴离子交换膜热稳定性与化学稳定性较差
• 规模化生产和成本降低问题待解决

现状

亿纬锂能等企业已开始布局AEM膜产品，意大利ENAPTER等公司已推出小型商业化产品。

质子交换膜制氢（PEM）

原理

在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。

优点

• 工作电流密度高
• 电解水效率高
• 无污染
• 结构质量轻且紧凑
• 制得的氢气纯度可达到99.999%

缺点

• 贵金属原材料价格昂贵
• 工艺生产难度大
• 成本相对较高

市场前景

根据权威机构预测，2020-2050年国内PEM制氢对质子交换膜的需求量将呈现快速增长趋势。

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

总结

水电解绿氢作为一种清洁能源生产方式，具有巨大潜力。随着可再生能源发电技术的发展和成本的进一步下降，绿氢需求有望迎来快速增长，为实现能源清洁转型和碳中和目标作出重要贡献。