碱性电解槽技术演进：从金属圆形带压到模块化

高工氢电 2024-02-07

近年来，全球绿氢产业爆发，电解水制氢设备需求猛增。由于碱性电解水制氢技术可大规模制氢且成本较低，目前占据了绝大部分的市场订单，被认为是目前最为成熟的一项技术。然而，氢能产业的快速发展对电解槽产品提出了更高的要求，碱性电解槽其结构、材料等方面的设计仍有较大的优化空间。

尽管在众人印象中，碱性电解槽是一个钢铁的圆柱形结构。但事实上，碱性电解槽这项技术内部又分多种技术路线。包括：金属带压圆形电解槽、非金属机框圆形电解槽、常压方形电解槽、无极框方形电解槽、模块化电解槽、带压方形电解槽等。

这些技术路线存在怎样的区别？根据市场需要，碱性电解槽将如何演进？

碱性多种路线“百家争艳”

根据高工氢电产业研究所（GGII）《中国电解水制氢企业数据库》，截至2023年底，国内电解水制氢设备厂商总产能（名义产能，含规划2023年底建成产能）达到38GW。从技术路线来看，绝大多数产能规划为碱性制氢。

碱性电解槽得益于技术的日渐成熟和产业链配套的逐渐完备，以及受到大型绿氢项目需求的拉动的影响，正在快速向大标方迈进中。2023年超40家企业发布电解槽新品，以碱性电解槽为主，部分新品单槽额定产氢量达到3000标方。

从公开信息来看，目前发布的大标方碱性电解槽新品大部分采用的是金属圆形带压技术路线，这也是国内碱性电解槽最主流的技术路线之一。金属圆形带压电解槽采用拉杆紧固设计，耐压性好更容易实现压力密封。而对电解槽内部加压，能够降低电解水产生的气泡，更易降低电耗。而且在某些应用场景下可以直接省去气体压缩设备，节省设备投资和中间操作环节。金属圆形带压技术路线的相关产业链配套也最为成熟。

需注意的是，由于金属圆形带压电解槽采用的是碳钢金属极框，体型庞大、设备沉重，导致运输不便停、机维修成本增加较高等问题。目前有些企业研发出了非金属极框，采用PTFE（聚四氟乙烯）、PSU（聚砜）等塑料材质注塑成型，具有减重、缩小体积、不惧电腐蚀等优点。

但是，非金属极框的性能尚未得到业内的广泛认可。一位电解槽行业资深人士告诉高工氢电，目前非金属极框抗高温、高压的能力较差，在极冷或极热的环境中容易发生收缩变形，影响电解槽气密性。而且，现在采用这种路线做出来的电解槽产品产氢量偏小，与现在碱性电解槽向单体大标方发展趋势不相符。

常压方形电解槽采用的是成熟的氯碱电解槽工艺，运用零间隙技术，电极与隔膜几乎做到零距离，减小了溶液电阻；采用低压运行条件以及方形槽结构，优化电解液流场，促进气泡流通，减小了气泡电阻，安全性也更好，针对风电光伏波动性电源适应能力也更强。

而且，这种技术路线的碱性电解槽的单元槽之间互相独立，有利于后期拆装检修。国外的大标方电解槽典型产品有蒂森克虏伯的碱性电解槽，国内也有多家企业在布局方形常压电解槽。

常压方形电解槽这种技术路线虽然不考虑耐压问题，但应用场景具有一定的局限性，在下游高压力场景应用时，需要增加压缩设备，增加设备投资和管理风险。而且，方形常压电解槽的占地面积较大。

近年来，汉氢科技、浙江菲尔特等企业又向市场推出了无极框技术的方形碱性电解槽，颠覆性地摒弃了传统的极框结构，将电极片做成方形，大大减少了原料的用量及电解槽的体积，最终占地面积仅为同等生产能力下传统电解槽的三分之一，解决了传统电解槽重量大、占地广、运输难的问题。

此外，爱德曼发布国际首套国产化4000Nm³/h模块化碱性碱性电解槽撬装产品。由爱德曼100Nm³/h标准模块化电解槽并联而成，具备了ALK寿命长、可靠性高、价格低的优点，同时具备了PEM电解槽启动时间短、灵活性高、电耗低的优点。该产品较传统碱性电解槽体积减少约80%。

模块化碱性电解槽其制造流程得以简化，设备互换性和维修效率灵活性高，具备系列化产品组合拓展能力，可以适应多种制氢场景等。

明阳集团氢能副总经理张泰基博士告诉高工氢电，现在碱性电解水领域存在多种技术路线，各具特点。从项目方需求来看，电解槽需要具备价格便宜、安全性好、运维简单等要素，无论哪种技术路线，都应该朝着满足市场需求的方向演进发展。

带压方形电解槽不容小觑

目前制氢市场十分火热，企业为更加贴近市场需求，争相提高电解槽产氢效率、开发新型制氢设备。在上述技术路线之外，海德氢能、三一氢能相继向市场推出了一种创新型设计的带压方形电解槽。

2022年8月，海德氢能发布新一代电解水制氢系统“氢舟”，氢舟™实现了3.98kWh/Nm³的实测电耗，制氢效率可达80%以上。动态性能方面，氢舟™实测性能实现20-110%的负荷范围，系统加/减负荷速率可达5%/s，具备更强的绿电适应性。

2023年12月，三一氢能有限公司在长沙智联重卡产业园隆重发布GW级解决方案与S系列方形电解槽新品。具有高电流密度、宽功率波动、大型化、模块化、可带压运行、智能化等诸多特点。其单小室电解面积达到了行业最大规模，每小时产氢量高达3000标方。

带压方形电解槽基于模块化提高了安装、维护和更换的便利性；能带压运行，提高了系统的场景适应性，降低了二次增压需求。同时，高效稳定的运行电流密度，确保高产了氢效率。

海德氢能CEO姚昌晟告诉高工氢电，氢舟™作为新一代方形插片式带压碱性电解水制氢系统，通过在标准化单片、插片式设计的电堆和系统控制等三个方面的重要创新，从而具备效率高、易维护、绿电适应性强等特点，而且价格也和圆形电解槽相当。

在单片有效反应面积趋于增大的行业趋势下，单片内的多物理场一致性是提升制氢效率的关键所在。海德氢能使用了30多种隔膜与电极做匹配组合，并对测试结果的各类过电势进行拆解分析，经过10000+小时的优化设计与运行验证，研发出的方形标准化云帆®单片可以在单片层面提升多物理场的均匀性和一致性，电解反应更加均匀高效。

基于标准化的方形制氢单片，氢舟™通过更加先进的整堆成组工艺，实现了带压电解槽的近零极距和超过300多个制氢单片的整堆一致性，并抑制寄生电流，最大限度地还原实验室可实现的极高制氢效率。此外，海德氢能的插片式结构带压电堆设计，可以在12小时内便实现对单片的原地更换，大大降低了运维成本这一项隐性支出。

在系统控制层面，基于氢舟™产品插片式的设计，海德氢能集成了自主研发的智能单片巡检技术。该技术可以实现每个单片性能的实时性能监控和优化反馈，实现制氢过程中每个单片的实时监测与状态管理。面向绿电制氢工况，海德氢能还引入了先进的智能传感和控制技术，实现快速变负载工况下的温度稳定和压力稳定，在保障制氢系统安全性的同时，实时优化工作参数，提升绿电制氢综合效率。

三一氢能副总经理董国庆表示，未来碱性电解槽将会实现方形槽与圆形槽技术交叉互补，趋同融合，逐渐朝着高电密、大型化、宽功率波动、模块化、智能化五大方向发展。S系列方形电解槽采用了经仿真分析验证的进出液流场设计，保证温度场均匀性优越，使其在维保和多样化制氢场景需求方面具备了更强的适应性，同时还采用了双液压油缸自动紧固+机械式锁紧的双重保险的行业首创技术，以确保结构的稳固、密封的可靠和维护的便捷。

该产品模块化设计使得现场管理简捷高效、大规模制氢场景的TCO显著降低、也增强了产品的运行稳定性，延长了使用寿命，完美匹配了客户多样化的制氢场景需求，适应了未来智能制造的发展趋势。

按照传统管理，电解槽出现运行故障无法现场解决，需要返厂维修，一般维护时间达到30天原本竞争就导致电解槽价格大幅下降，如果加上维修成本企业更是无利可图，所以三一计划改变维修流程，实施现场维修，第一步将30天压缩至15天，第二步采用局部更换，单槽单片将维护时间压缩至1天。

政策激励和市场需求驱动下，我国绿氢未来供不应求的趋势显现，实现制氢设备大型化、低成本、低能耗成为产业发展重要共识。电解槽产品及相关技术的新思维模式和理念还会持续迭代，材料组件、流体结构，以及制造工艺等也将全面提升。这需要企业立足现在，面向新的应用和市场需求，将产品的技术创新、产品迭代和需求结合，助力电解水制氢设备行业可持续发展。

本文内容来源于：高工氢电，责任编辑：胡静，审核人：李峥

碱性电解槽技术演进：从金属圆形带压到模块化

热点文章