碱式电解槽结构相对简单、技术成熟度高，目前国内已有超过40余家厂商推出了碱式电解槽，其中公布规模达1000 Nm3/h及以上电解槽也已有数十家，从公布的信息来看，其结构与性能多数大同小异，行业“内卷”严重。氢能产业的快速发展对电解槽产品提出了更高的要求，碱式制氢电解槽其结构、材料等方面的设计仍有较大的优化空间，未来碱性制氢电解槽即将进入新一轮技术及市场竞争阶段。能景研究结合了国内外碱性电解槽技术发展的现状及趋势，为行业内解读下一步碱性电解槽的技术发展方向，供行业参考。

01 国际上碱性电解槽仍不断演进

海外的碱性电解槽发展历史相对更久，早在上世纪便已有1000 Nm3/h电解槽产品，且其电极、隔膜等都已经过了多次技术迭代。其中，Nel、蒂森克虏伯等企业的碱性制氢电解槽最具代表性。

不断进行电极与隔膜的技术迭代。以Nel为例，Nel自上世纪20年代便开始从事制氢电解槽的研发生产，其使用的隔膜从石棉材质一直发展到如今的聚合物复合材料，电极方面则开发出了新型非贵金属活化技术。Nel如今的A系列碱性电解槽采用了复合隔膜，厚度在500 μm以下，面电阻在250 mΩ/cm2左右；阴极采用Raney Ni基底多元涂层催化剂（NiMo合金等），阳极采用活化镍，有效降低过电位。综合下来，Nel的A系列碱性电解槽直流电耗低达3.8-4.4 kWh/Nm³，是当前直流电耗最低的碱性电解槽之一。迭代传统工业的先进结构及模块化设计。蒂森克虏伯的碱性电解槽来自于其成熟的氯碱电解槽工艺，采用零间隙技术，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，减小气泡电阻。而且，蒂森克虏伯碱性电解槽的单元槽之间互相独立，有利于后期拆装检修。再结合电极、膜的优化，蒂森克虏伯碱性电解槽的电解效率提高到了80%以上。

02 国内碱式制氢电解槽面临同质化困境

国内虽有诸多碱性电解槽产品，从公布信息来看，其结构、性能并没有太大区别。国内碱性电解槽的同质化可以概括为三个方面。一是发展方向同质化。当前碱槽都以高产氢量为主攻方向，技术路线为增大电极面积、增加小室数量。这种“堆量方案”实现了碱性电解槽产氢量的快速突破，可以让1000 Nm3/h产品快速实现交付，但1000Nm3/h电解槽长度可达6米以上，重量超过40吨。堆量方案使得电解槽的体积与重量越来越大，继续使用此方案增大产氢量，将面临运输与维护成本过高、电解液密封性变差、反向电流腐蚀加剧等问题。二是核心零部件同质化。电极、隔膜、极板等材质类似，结构相近。国内碱式电解槽绝大多数是拉杆式圆柱形电解槽，双极板为圆形结构，电极基底为镍网，催化剂为镍基合金，隔膜为聚苯硫醚（PPS）膜。目前国内现有碱性电解槽的零部件几乎都是传统工业体系下技术已经成熟的工业产品，并没有过多的创新性与技术壁垒，能景研究认为，在此情况下，产业更加成熟后，未来参与者会较为容易地找到供货商并实现组装与扩大产能，产业链成本下降的同时，产品也会同时面临严重的同质化竞争。三是电解槽性能同质化。电流密度、直流电耗、电解效率等不具明显区别。碱性电解槽的零部件同质化造成了性能的同质化。目前从公布的数据来看，大多数质量较高的碱性电解槽直流电耗多在4.3 kWh/Nm3H2左右、电解产氢效率在75%左右、最低工作负载范围多在20%以上，且都是10 bar以上中高压运行。

能景研究认为，目前国内各企业陆续推出相对成熟的1000 Nm3/h电解槽，已能够初步满足大型制氢项目需求，以”大标方“为竞争亮点已难“出圈”。寻找新的优势突破点将成为下一步碱性电解槽发展的重点。

03 多个维度都可成为重要的破局点

结合中外碱性电解槽发展动态及相关专业知识分析，辅助管理系统、电解槽结构、核心材料等多个维度均是下一步碱性电解槽突破的方向。辅助管理系统直接关系到电解槽的动态控制能力，是风光电力波动性适应能力及安全生产等的重要保证。辅助管理系统包括制氢电源设备、智能管理系统、新型氢气检测器、离网制氢方案等，可达成平抑风光电力波动、电解槽高效启停、快速投切等目标，使电解槽更加适应可再生能源制氢项目需求。能景研究认为，在目前国内碱性电解槽本身高度同质化、而制氢辅助管理系统市场方面尚存在较大缺口的情况下，高效制氢辅助管理系统将是接下来的一大热门破局方向。

电解槽的结构关系到空间利用水平、流场分布情况等多个方面，是降低电解槽体积、电阻的重要方向。有厂家经过极板结构等优化后，新推出的1300 Nm3/h电解槽体积比原有1000 Nm3/h电解槽体积减小了25%；还有厂家推出了可单池拆卸检修的方形叠片式电解槽，流场分布更均匀能耗更低，可节约维修时间90%。能景研究认为，结构设计需要大量的实践数据积累支撑，而目前国内大部分厂家的碱性制氢电解槽仅仅经过了两年左右的发展，电解槽结构设计还不成熟；电解槽结构优化方面具有较大破局潜力。

隔膜是造成电解槽的内阻与额外能量损失的重要部位，大电流密度下影响更大。隔膜电阻越大，电流密度越高，造成的欧姆能量损失越严重。国内电解槽多使用二代PPS膜，30℃下面电阻在1.0 Ω/cm2以上，而国外三代复合隔膜仅在在0.1~0.3 Ω/cm2之间；另一方面，国产三代复合隔膜在0.4 Ω/cm2左右，与国外也有较大差距。据相关资料，从国内现有商业膜更新到三代复合隔膜可降低电解槽能耗6%以上。能景研究认为，减小隔膜电阻是提高碱槽电流密度必须攻克的方向，是下一步碱性电解槽突破的重点与必然方向之一。

04 电极材料优化或推动碱性电解槽最快破局

尽管改进碱性电解槽结构、优化制氢管理系统等可以拉开与其他同质化产品的技术差距，但对碱性电解槽本身而言仍难做到大的突破。而电极材料的优化可能将推动新一代碱性电解槽的出现。

4.1 优化电极材料对实现碱性电解槽快速突破贡献最大

一方面，电极材料的上限是碱性电解槽性能上限的核心所在。电极过电位大、动力学性能差是当前国内碱性电解槽电流密度低、直流电耗高、电解效率低的主要原因，甚至碱性槽响应慢、负载范围小、体积过大也与此有关。另一方面，当前电极材料的优化空间极大，且可行性高。国内电解槽大多使用相对廉价的简单镍基材料，析氢过电位极高（200 mV@100A/m2左右），而科研院所及催化剂专精企业对制氢电极材料已有数十年的技术积累，有大量性能更高（过电位100 mV以下）、成本更低的成果尚未进入应用。而且，备受关注的铂基材料的过电位可低至30 mV，制氢能耗预计可降低10%以上。

4.2 阴极使用贵金属催化剂具有成本可行性，或成破局关键

贵金属电极材料可提高电流密度与产氢量，大幅削减相同产氢量下电解槽所需的电极面积，节省极板、隔膜、密封圈等成本。目前已有“碱槽成本PEM性能”的碱槽产品出现，贵金属催化剂的使用是其实现突破的关键之一。

据能景研究估算，“极板换贵金属”策略具有经济与技术可行性：（1）电解槽产氢量不变的情况下，使用铂催化剂将电流密度提高一倍，可近似节省一半的极板、密封圈、隔膜成本；（2）一台1000 Nm3/h的电解槽成本700万，极板、密封圈、隔膜成本约占70%，节省一半可节余245万元；（3）电极面积按照340 m2计算，铂按照400元/g高价计算。极板等节约出的245万可实现3.6 mg/cm2的铂载量。（4）实验室中铂载量一般低于0.5 mg/cm2，3.6 mg/cm2属于极高载量范畴。这说明极板换铂在成本上和技术上都充分可行。

4.3 阳极能量损耗高，新型非贵金属阳极材料值得更多关注

国内碱性电解槽阳极多采用镍基合金，制氧的过电位在300 mV以上，造成的能量损失甚至超过阴极析氢，但其优化的空间及可行性都很高。

能景研究认为，阳极优化的成本低、收益大：一方面，现阶段阳极的优化对贵金属的需求并不迫切，使用铂的提升效果并不明显，铱虽效果显著但成本远超过铂，钌等其他贵金属不够稳定。另一方面，实验室中有许多低成本的非贵金属催化剂可充分提升阳极性能，过电位可降低到200 mV水准。目前最具代表性的有镍铁基材料、钴铁基材料等。阳极催化的理论比较成熟，且与现有商用催化剂成分相近，实现技术迭代的难度较低。

05 小结

国内碱性电解槽经过了以堆量为核心、提高单槽产氢量的初步发展阶段，技术门槛低，各厂商的产品存在高度同质化的问题，制氢能耗、电解效率等都还有待提高。部分厂商已经开始布局新的突破方向，着重于制氢管理系统、结构、核心零部件等的优化提升，新的差异化竞争格局已经初具苗头，只有掌握创新性核心技术的企业才能具有更高的竞争力。在诸多破局方向中，电极材料的优化或许会成为下一代碱性电解槽的核心突破方向。而贵金属铂的应用，或许会成为破局的关键。