日前，中国产业发展促进会氢能分会联合30余家氢能产业龙头企业和科研院校共同编写的《中国氢能技术发展研究报告2024》(以下简称《报告》)在北京发布。《报告》着眼于我国氢能全产业链技术发展现状与趋势，围绕氢能“制储输用”各关键环节，从技术发展现状、不同技术路线对比、核心技术与关键装备水平、国内外技术水平比较等方面进行了全面梳理，并立足全球氢能技术前沿发展方向与我国氢能产业发展实际需要，分析并提出了我国氢能全产业链各环节关键技术发展方向的科学建议。
《报告》显示，中国已成为全球电解槽的主要供应商，并在江苏、广东、河北等地形成了多个产业发展集群。据中国产业发展促进会氢能分会数据库统计，截至2024年9月，国内水电解制氢设备厂商名义总产能达到32吉瓦，占全球电解槽总产能的60%以上。《报告》详细分析了碱性水电解制氢(ALK)技术、质子交换膜水电解制氢(PEM)技术、固体氧化物水电解制氢(SOEC)技术以及阴离子交换膜水电解制氢(AEM)技术等4种主要水电解制氢技术发展现状。
《报告》指出，我国ALK电解槽正在快速向低能耗、大标方迈进，国内电解槽产品能耗达到国际先进水平，单槽产氢量达到国际领先水平。ALK技术可分为圆形带压和方形常压两大技术路线。国内ALK电解槽企业多采用圆形带压技术路线，相关供应链配套也相对成熟。圆形带压电解槽采用拉杆紧固结构设计，更容易实现压力密封，但该路线对于材料耐压性能要求高，存在设计和制造难度大、运输不便、停机维修成本较高等问题。方形常压电解槽借鉴成熟的氯碱电解槽设计理念，运用零间隙技术，因此密封性更好，且内部流场分布更均匀合理，对端板、框架等强度要求低，便于实现大型化。但为降低能耗，方形常压电解槽一般采用贵金属电极、复合隔膜和纯镍极板，因此成本较高且出口压力较低，下游应用需额外配备增压设备。同时，方形常压电解槽通过模块化路线，可兼具ALK电解槽寿命长、价格低和PEM电解槽启动时间短、灵活性高、电耗低等优点。但是由于单个模块制氢规模小，大量模块堆叠将造成系统复杂度提升，且成本也高于圆形带压电解槽。
《报告》研究发现，采用ALK电解槽与PEM电解槽搭配以平衡经济性和加强负荷波动响应能力的新模式正在成为大型制氢项目的优选方案之一。PEM电解槽市场需求的逐步释放，带动我国PEM技术与装备水平快速进步，截至2024年9月，我国PEM电解槽单槽产氢能力最大已达500Nm3/h，处于国际先进水平。膜电极、催化剂、质子交换膜等核心材料的技术研发与国产化替代进程也呈现加速趋势。国产PEM电解槽膜电极已进入小批量出货阶段。核心材料的不断突破，有利于国产装备与材料应用规模不断提升，在推动技术成熟度与可靠性提高的同时，带动成本降低。整体来看，国产PEM电解槽的性能指标与国外品牌基本相当，系统集成及BOP已实现国产化和规模化量产。与此同时，虽然国产膜电极市场占有率快速提升，但碳纸等膜电极核心材料的国产化产品在工艺稳定性和应用规模等方面仍有较大提升空间。
SOFC/SOEC的可逆性较强，且两者制备过程及所用材料基本一致，因此国内外从事SOEC的企业大多是从SOFC转型而来。主流SOEC技术可分为管式结构和平板式结构两种。目前平板电池结构是SOEC电池的主流结构。国内SOEC电解槽单槽功率达到百千瓦级别。随着国内SOEC电解槽在项目中应用规模的扩大，系统集成工艺和设计水平将逐步提升，SOEC电池与电堆供应链也将逐渐完善。《报告》认为，我国SOEC电解槽将于2025年开始从工程化向商业化迈进，并于2030年达到较高的商业化水平。
相比ALK技术，AEM技术具有更快的响应速度和更高的电流密度;而相比PEM技术，AEM技术的制造成本更低，因此AEM技术被视为电解水制氢技术未来的主要发展方向之一。2024年以来，我国AEM技术不断突破，已呈现加速发展势头，国内多家企业相继发布AEM产品。目前国内企业已完成500千瓦装备的开发，单槽直流能耗为3.6kWh/Nm3~4.3kWh/Nm3，功率波动范围为5%~120%，冷启动时间小于10分钟。解决阴离子交换膜热稳定性与化学稳定性差、传导能力有限、寿命相对较低、单槽产氢量小等问题，将成为决定AEM技术商业化进程的关键。《报告》预计，未来我国将形成“以ALK+PEM为主线，SOEC与AEM为补充”的发展模式。
(作者系中国产业发展促进会氢能分会高级研究员)
