2000标方是终点吗？中国碱性电解槽大型化发展现状与挑战
2000标方是终点吗？中国碱性电解槽大型化发展现状与挑战
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氢能政策与规划，制氢、氢储运和加氢站技术与装备，绿氢下游应用。氢燃料电池汽车和船舶，氢燃料电池热电联供，氢冶金，绿电、绿氢和化工耦合，氢储能。
以下文章来源于风光氢储观察 ，作者亚化咨询
风电、光伏、氢能和储能行业的政策规划、技术研发、企业动态、项目进展和前景展望。
由亚化咨询主办的 2023加氢站技术、设备与市场论坛 将于12月1日在苏州召开。会议将探讨国家与地方氢能交通运输产业政策和规划，氢能重卡和工程机械对加氢基础设施需求展望，中国加氢站气源探讨：工业副产氢和绿氢，绿电-制氢-加氢一体化项目示范经验，甲醇或绿氨站内制氢加氢一体站，加氢站核心设备：储氢罐、压缩机、加氢机和流量计，加氢站安全技术研究与标准体系建设等。
化工设备的大型化在化工行业中发挥着至关重要的作用。一方面能够提高生产能力、提高效率并降低运营成本。另一方面企业可以通过扩大升级现有设备以满足不断增长的市场需求。投资扩产是企业保持长期竞争力和可持续发展的战略举措，不论是在传统精细化工领域还是新能源新材料上都得到了许多验证。在氢能行业，与燃料电池往大功率方向发展的思路类似，电解槽的制氢能力也在不断往更大的方向提升。
碱性电解槽单台产能发展历程
在电解槽的大型化方面，1992年时，我国中船七一八所领衔生产出了第一台套20标方的设备，1995年，生产出第一台套的200标方的设备，到2006年，生产出第一台套的400标方的电解槽。再到2017年，通过提高电流密度，降低能耗，生产出了目前行业内最主流的1000标方的电解槽，目前国内大型绿氢示范项目已投入应用的碱性电解槽均为1000标方。在1000标方的碱性电解槽刚刚开始启动示范应用的情况下，一些企业已经发布了2000标方的单槽产品。据亚化咨询统计，自2022年以来，国内已经发布达到2000标方的碱性电解槽的企业已达到8家。2023年9月12日，隆基氢能发布最新G系列碱性电解槽产品，最大单槽产氢量高达3000标方。
在
政
策
上，
由科技部发布的“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”重点专项中，明确提到要开展“额定产氢量≥3000Nm³/h”的高效大功率碱水电解槽关键技术开发与装备研制。
国内电解槽的大型化进程正在不断加快。
碱性电解槽大型化带来的优势
据隆基氢能介绍，氢的平准化成本（LCOH）由初始投资成本（CAPEX）和运营成本（OPEX）构成，低电耗产品解决OPEX的问题，
而单槽大型化，可以有效降低CAPEX。
以绿色合成氨项目为例，年产18万吨绿色合成氨的项目，每年需要2.4万吨绿氢。初始投资中，电解槽、气液分离和纯化框架、适配电源等核心硬件投资占比大约为48%，土建部分成本约占比9%。据此可知，制氢设备投资和土建工程成本占到项目投资一半以上。
隆基氢能经研发测试发现，1台2000Nm³/h电解槽相较于2台1000Nm³/h电解槽，占地面积可节约30%，重量减轻20%，制造电解槽的原材料钢材可减少9.4吨，相当于减少14吨碳排放。折算到单方成本，可以降低CAPEX约20%。
以年产2万吨绿氢的中国西部地区光伏发电制氢项目为例，LCOH中CAPEX成本占比为16%，大约需要52台1000Nm³/h的电解槽，电耗为4.3kWh/Nm³，设备利用率为4300小时/年。假设电价是0.2元/千瓦时，那么将这52台1000Nm³/h电解槽替换成26台2000Nm³/h电解槽后，可以节省18000平方米的厂房，差不多相当于整个库车项目52台电解槽厂房的总面积，折算到LCOH可以下降4.68%。若改成用一台3000标方的电解槽替换三台1000标方的电解槽，将会带来LCOH更多的下降。
对于电解槽制造商来说，电解槽大型化提升了单槽的产氢效率，减少电解槽的数量还能给整个电解水制氢系统的配套减负，总体上都有利于降低整体成本投入，因此在能保证产品可靠性和稳定性的前提下，企业都追求尽量做更大产氢量的单槽产品。
对于下游制氢的客户来说，大标方电解槽更划算。由于绿氢项目采购大型化单体槽制氢设备的成本，相对而言要比采购同等产氢量的多台套设备成本低，一些绿氢项目已开始计划采购超过1000Nm³/h产品。例如，今年6月，中石化在鄂尔多斯的一个风光融合绿氢化工示范项目在其《变更项目备案告知书》中提到采购2000Nm³/h制氢设备。为了适配用氢需求大的化工、冶金、炼化等工业领域，近日
多个获批的绿氢项目已规划配置2000Nm³/h碱性电解槽。
其中中船通辽市50万千瓦风电制氢制氨一体化示范项目—制氢制氨项目将全部采用2000Nm³/h碱性电解槽，制氢工厂配置36套2000Nm³/h碱性电解槽设备。
碱性电解槽大型化的途径与挑战
将单槽电解槽做到更加大型化需要做哪些改变？根据法拉第定律，电解槽在单位时间内的产氢量正比于电流密度、电解面积和小室数量。因此，实现大标方电解槽的途径有三条：
提升电流密度；提高小室反应面积；增加小室数量。
增加小室数量
，意味着将电解槽做得更长，难点是对会结构的密封性、碱液的流通造成较大影响；
将电极面积做得更大
，这受限于原材料尺寸及直径增大对流道均匀分配的考验。
这两种方案都意味着电解槽的体积和重量也会随之增加，这也对电解液流场设计提出了更高的要求。现阶段，业界在开发更大产氢量的电解槽方面（2000-3000Nm³/h），更多的解决办法是采用大量小室的堆叠，但是这种方法会
导致电解槽的设备体积过大
，而且小室过多也会在密封和压紧方面带来问题。同时电解槽体积和重量变大会带来一定的安全隐患，比如电解槽变大引发部分小室下坠容易漏碱的问题等。如何减少小室数量，提升电流密度是当前业界关注的一个重点。
提升电解槽的电流密度
，可以通过对于电极、隔膜材料的优化和电解槽结构的优化来实现，这也是当前最具有吸引力和应用前景的一种解决方案。在碱性电解槽的所有材料中，优化电极材料对实现碱性电解槽单位产氢量的提升最为关键，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，另一方面，当前电极材料的优化空间极大，且可行性高。目前国内的一些先锋电极企业已经开始在研发新型电极材料方面开始行动。
但提升电流密度同时面临能效损失的挑战，即电流密度提升后，会使电解小室电压上升，从而
带来单耗的提高
。随着电耗的增加，材料工艺要求会提高，相应的设备与运行成本也会上升。应对这个难点必须要找到能兼顾电流密度成本和能效的解决方案。
无论是通过扩大电解槽的体积还是增加运行电流密度，都对设备制造企业有着严苛的技术要求。一旦制作工艺不成熟，电解槽的气密性不达标，导致易燃气体泄漏，就可能引发灾难性的后果。由此可见，电解槽单体的产氢量越大，在制造工艺技术的难度也越大。碱性电解水制氢设备在大型化规模化电解水制氢生产中时，
要实现“大规模、低能耗、高稳定性”三者的统一。
碱性电解槽大型化前景展望
从发展历程来看，碱性电解水技术在20世纪前后，就开始实现了工业化应用，目前已成为发展最成熟、商业化程度最高的电解水制氢方式。得益于技术的日渐成熟和产业链配套的逐渐完备，同时在大型绿氢项目需求的拉动下，碱性电解槽大型化是必然趋势。但这一大型化的过程门槛并不低，涉及到大设备的规模化、工程化应用，对设备企业的工程经验、系统集成能力、产品迭代升级能力都有要求。
目前企业争相开发大型化制氢设备，市场上不断有大标方碱性电解槽的新品涌现，从数据来看，无论是电流密度还是能耗表现都有很大提升。但这只是代表实验室的测试结果，缺乏在实际工况应用的验证。碱性电解槽迈向大标方主要似乎2000标方的碱性电解槽就要进入商用了，但实际上，
从1000标方跨入2000标方还有待经过示范项目的验证考验。
技术的发展需要时间和验证过程。国内第一款1000标方的碱性电解槽从2017年产品的问世到2022年在中石化新疆库车绿氢示范项目实现规模化商用过去了5年多时间， 2000标方及以上的电解槽要实现规模化商用可能也需要数年时间。 在实际运行中，目前的1000标方的碱性电解槽还需要进行产品的打磨和迭代，在可靠性和稳定性上下功夫，无论采用何种办法提高电解槽的产氢量， 安全性是设备制造企业首要考量因素，在现有的1000标方碱性电解槽应用成熟稳定之后，再逐步向更大标方发展才是可取之道，在这样的基础上推出更大标方的电解槽才能让人信服。
由亚化咨询主办的 2023生物基绿色甲醇与生物基SAF论坛 将于11月在苏州召开。会议将探讨全球航运业脱碳趋势与绿色甲醇市场前景，可持续航空燃料 (SAF)需求分析与供应展望，绿色甲醇和SAF的标准与国际认证，生物基甲醇原料、生产工艺与先进设备，电解水制氢在生物基绿色甲醇装置的耦合应用，生物基SAF生产技术与原料分析-油脂加氢（HEFA）制SAF、甲醇制SAF、乙醇制SAF，SAF在航空业面临的挑战与解决方案等。
由亚化咨询主办的 2023 Power to X技术经济研讨会 将于11月在苏州召开。会议将探讨全球Power to X技术与项目发展趋势，中国绿电和绿氢技术、设备与成本展望，基于Power to X生产绿色甲醇、绿氨、绿色乙醇、绿色合成气、SNG/LNG、可持续航空燃料（SAF）、汽油、柴油、烯烃和芳烃，CO2与水直接电解制合成气技术与工业化示范，服务于Power to X的自动化、电气化和数字化技术与设备等。
作为氢能燃料电池行业的领先咨询机构，亚化咨询推出了 《中国氢能与燃料电池月报》（付费版） 。包含以下信息：
1. 中国 加氢站项目 数据库（月度更新）
《中国 绿氨 产业链年度 报告2023》
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