日前，中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會氫能分會聯(lián)合30余家氫能產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)和科研院校共同編寫的《中國氫能技術(shù)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(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，圍繞氫能“制儲輸用”各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、不同技術(shù)路線對比、核心技術(shù)與關(guān)鍵裝備水平、國內(nèi)外技術(shù)水平比較等方面進(jìn)行了全面梳理，并立足全球氫能技術(shù)前沿發(fā)展方向與我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際需要，分析并提出了我國氫能全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向的科學(xué)建議。

《報告》顯示，中國已成為全球電解槽的主要供應(yīng)商，并在江蘇、廣東、河北等地形成了多個產(chǎn)業(yè)發(fā)展集群。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會氫能分會數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，截至2024年9月，國內(nèi)水電解制氫設(shè)備廠商名義總產(chǎn)能達(dá)到32吉瓦，占全球電解槽總產(chǎn)能的60%以上。《報告》詳細(xì)分析了堿性水電解制氫(ALK)技術(shù)、質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEM)技術(shù)、固體氧化物水電解制氫(SOEC)技術(shù)以及陰離子交換膜水電解制氫(AEM)技術(shù)等4種主要水電解制氫技術(shù)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(biāo)方邁進(jìn)，國內(nèi)電解槽產(chǎn)品能耗達(dá)到國際先進(jìn)水平，單槽產(chǎn)氫量達(dá)到國際領(lǐng)先水平。ALK技術(shù)可分為圓形帶壓和方形常壓兩大技術(shù)路線。國內(nèi)ALK電解槽企業(yè)多采用圓形帶壓技術(shù)路線，相關(guān)供應(yīng)鏈配套也相對成熟。圓形帶壓電解槽采用拉桿緊固結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)計理念，運用零間隙技術(shù)，因此密封性更好，且內(nèi)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(fù)合隔膜和純鎳極板，因此成本較高且出口壓力較低，下游應(yīng)用需額外配備增壓設(shè)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(fù)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(jì)性和加強負(fù)荷波動響應(yīng)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(shù)與裝備水平快速進(jìn)步，截至2024年9月，我國PEM電解槽單槽產(chǎn)氫能力最大已達(dá)500Nm3/h，處于國際先進(jìn)水平。膜電極、催化劑、質(zhì)子交換膜等核心材料的技術(shù)研發(fā)與國產(chǎn)化替代進(jìn)程也呈現(xiàn)加速趨勢。國產(chǎn)PEM電解槽膜電極已進(jìn)入小批量出貨階段。核心材料的不斷突破，有利于國產(chǎn)裝備與材料應(yīng)用規(guī)模不斷提升，在推動技術(shù)成熟度與可靠性提高的同時，帶動成本降低。整體來看，國產(chǎn)PEM電解槽的性能指標(biāo)與國外品牌基本相當(dāng)，系統(tǒng)集成及BOP已實現(xiàn)國產(chǎn)化和規(guī)模化量產(chǎn)。與此同時，雖然國產(chǎn)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(chǎn)化產(chǎn)品在工藝穩(wěn)定性和應(yīng)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(nèi)外從事SOEC的企業(yè)大多是從SOFC轉(zhuǎn)型而來。主流SOEC技術(shù)可分為管式結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)兩種。目前平板電池結(jié)構(gòu)是SOEC電池的主流結(jié)構(gòu)。國內(nèi)SOEC電解槽單槽功率達(dá)到百千瓦級別。隨著國內(nèi)SOEC電解槽在項目中應(yīng)用規(guī)模的擴大，系統(tǒng)集成工藝和設(shè)計水平將逐步提升，SOEC電池與電堆供應(yīng)鏈也將逐漸完善。《報告》認(rèn)為，我國SOEC電解槽將于2025年開始從工程化向商業(yè)化邁進(jìn)，并于2030年達(dá)到較高的商業(yè)化水平。

相比ALK技術(shù)，AEM技術(shù)具有更快的響應(yīng)速度和更高的電流密度;而相比PEM技術(shù)，AEM技術(shù)的制造成本更低，因此AEM技術(shù)被視為電解水制氫技術(shù)未來的主要發(fā)展方向之一。2024年以來，我國AEM技術(shù)不斷突破，已呈現(xiàn)加速發(fā)展勢頭，國內(nèi)多家企業(yè)相繼發(fā)布AEM產(chǎn)品。目前國內(nèi)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(xué)穩(wěn)定性差、傳導(dǎo)能力有限、壽命相對較低、單槽產(chǎn)氫量小等問題，將成為決定AEM技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。《報告》預(yù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會氫能分會高級研究員)