碱性电解槽“开卷”核心材料“助攻”,
氢碳电离能,中能氢电,氢能化学电源 绿氢是氢能应用的终极理想形态，其生产装置电解槽成为当前氢能产业的发展热点，已经衍生出碱性电解槽（ALK）、质子交换膜（PEM）电解槽、离子交换膜（AEM）电解槽和固体氧化物（SOEC）电解槽等多种技术路线。
其中碱性电解槽在国内有着60多年的发展历史，具备技术相对成熟、结构简单、安全稳定、成本相对低廉等优势，是现阶段的主流应用路线。随着绿氢项目的爆发式增长及规模化降本需求，碱性电解槽开启了新一轮向高产氢量、低能耗、快响应的发展进阶。
技术升级的背后，碱性电解槽产业链企业要做出哪些努力？核心材料企业如何匹配碱性电解槽的发展需求？当下实际进展如何？
据高工氢电产业研究所（GGII）数据，2022年国内电解水制氢设备出货量达到722MW（含出口，不含研发样机），同比大幅增长106%。
电解水制氢设备出货量TOP 10中，考克利尔竞立、派瑞氢能、隆基氢能、天津大陆、中电丰业、凯豪达氢能、瀚氢源(HydrogenPro)、华易氢元科技、国富氢能等9家企业生产碱性电解槽设备。
其他碱性电解槽企业还包括中国华电、中集氢能、宝武清能、华能集团、亿利洁能、阳光氢能、明阳智能、盛氢制氢、上海氢器时代、三一氢能、奥扬科技、双良新能源、海德氢能、瑞麟科技、希倍优氢能、氢氢松松、天合元氢、吉道能源等，国内已公开消息的碱性电解槽生产企业超30家。
应用方面，目前国内各地的光伏、水电、风电等可再生能源制备绿氢的项目正在快速增加当中，将极大拉动上游电解水制氢设备的出货规模。据GGII预计，2025年国内电解水制氢设备市场需求量将超过2GW。
广阔市场与激烈竞争下，参与企业除了持续扩张电解槽产能外，向高产氢量、低能耗、快速响应迈进的技术升维战已经打响。
一是高产氢量。目前市场规划的项目需求均在万吨/年以上，对设备投资和场地要求都非常高，单体槽制氢设备的成本低于采购同等产量多台套设备，提升单机产氢量才能满足市场需求，国内碱性电解水制氢设备正在快速向大标方迈进中。
2022年碱性电解槽1000 Nm3/h的产品已经趋于成熟，2000 Nm3 /h产品开始推出，代表事件包括去年10月明阳智能全球首发的2000 Nm/h碱性水电解制氢装备，以及12月派瑞氢能下线立方制氢设备。
二是降低能耗。能耗是电解槽走向商业化和规模化必须要考虑的核心指标之一，包括碱性电解槽部分的直流电耗（占比约90%）和电源部分的损耗，当前行业的普遍电耗水平在4.5-4.6 kWh/Nm3，设法降低电解槽的直流电耗是电解槽技术升级的重要方向。
近日隆基氢能发布全新一代碱性电解水制氢设备ALK Hi1系列产品电耗最低可达4.0 kWh/Nm3，直流能耗降低10%以上，成为新品的最大亮点；去年3月，电解槽“新兵”氢氢松松的500立方/小时碱性电解水制氢设备则宣布实现3.8度/标方的直流电耗。
三是快速响应。电力来源从稳定的网电向高波动性的新能源转变，要求电解槽有分钟级的启动时间和更快的响应速度，目前碱性电解槽动辄数十分钟的冷启动响应以及功率波动不利于适配可再生能源制氢场景，“快”成为碱槽厂商集体追求的目标。
然而在工业领域，任何技术指标的变化往往牵一发而动全身，如碱性电解槽产氢量的提升背后是扩大电解槽的体积大小（增加电解小室数、电极面积）或者增加运行电流密度；能耗降低关乎极间电压控制、电解槽流场优化、小室一致性、材料电导率等。无一不对电解槽厂商的制造工艺，甚至上游材料产品性能提出了更高的要求。
换句话说，碱性电解槽的技术升级，除了电解槽厂商自身，核心材料起着很重要的作用。
从碱性电解槽材料及成本构成来看，除了双极板、端板、拉紧螺杆等工艺相对简单的机加工件，电极、隔膜、密封垫片等材料的成本占比较高，且工艺相对复杂，企业一般选择外部采购。
面向电解槽的升级发展，以电极、隔膜、密封垫片为代表核心材料也正筹备技术和工艺路线的改进：
?电极也可称为电催化剂，是电化学反应发生的场所，每个电解小室各有一个阴极、阳极电极，主要有镍网喷涂雷尼镍、泡沫镍等形式，在电解槽成本中大约占据30%，也是决定制氢电解槽的制氢效率的根本。
在电极面积一定的情况下，电流密度的大小决定电解槽的气体产生量，因此电流密度是衡量电极性能的主要性能指标，传统碱性电解槽的电流密度仅为3000-4000A/m2。近期在莒纳科技、辉瑞丝网、保时来、盈锐优创、力炻电极、图灵科创等厂商的努力下，国内碱液电极在电流密度方面进步明显。
今年1月，莒纳科技推出两款JA系列新品—基于镍网的JA-10000M，以及基于泡沫镍的JA-10000F，电流密度最高可达11900A/m2，有望助力碱性电解槽单槽产氢量3000Nm3/h以上；保时来也正在推进其8000A/m2-10000A/m2第四代电极网的研发……
?隔膜方面，在电解槽内隔膜将氢、氧严格地隔离开来，因此隔膜质量的好坏,直接关系到氢、氧气的纯度和电耗。当前的隔膜产品已经历经了三代发展，“复合隔膜”是业界公认的碱性电解水隔膜材料升级发展方向，具备良好的隔气性、稳定性及低电阻、低能耗。
隔膜生产制造企业主要有东丽（中国）投资有限公司、Agfa-Gevaert Group及碳能科技（北京）有限公司等，其中碳能科技作为国内较早从事复合隔膜研究和生产的企业，已经开发出了第三代复合隔膜产品，面电阻≤0.5Ω·cm2，厚度为500~700μm。
近日，中科院背景博士团队发起成立的中科氢易获得千万级种子轮融资，宣布用于电解水制氢复合隔膜及离子溶剂膜中试产线的搭建，隔膜领域迎来新秀入局。
?密封垫片解决极片与极片之间的绝缘问题，关系到电流效率和安全问题,绝缘性能的好坏一方面影响气体产量和稳定性，另一方面也间接决定了极板和隔膜的使用寿命。
碱性电解槽密封垫片多选用复合聚四氟乙烯材质，国内以氟达氢能为代表的材料商正加紧扩充产能，其2万平方ALK、PEM密封垫片与塑料极框半自动化生产流水线正在建设中。
借力先发优势，碱性电解槽行走在国内绿氢产业发展的前列，是最有望率先实现规模化应用的技术路线。但其规模化发展仍需突破更大单体产氢量、更低能耗、更快响应速度等关卡。
国内已经初步形成了以电极、隔膜、密封垫片为代表的碱性电解槽核心材料供应商矩阵。受到下游电解槽的催动，核心材料企业相继推出适配下一代电解槽发展的高性能材料，如万安密级电极、三代复合隔膜、高性能密封材料等，随着这些材料的验证及应用，国内碱性电解槽发展有望再上一个台阶。
