在大型绿氢项目的市场需求和逐步完善的产业链配套双重助推下,碱性电解槽正在往大标方持续突破创新。
而要实现大标方,则需要在电解槽结构、材料、工艺、控制系统等多方面进行优化。在电解槽结构方面,势银氢链了解到,目前国内主要有三种结构技术路线:
图片来源:势银氢链
方形常压
碱性制氢的方形常压电解槽槽一般是由氯碱行业演变而来。与高压系统相比,常压系统下氢气泄露速度会明显下降,具有更好的安全性。此外,方形常压内部流场分布更均匀、合理。
方形常压电解槽具有成本较低,制造工艺更简单,便于实现大型化,设计上不需要考虑耐压问题,对端板、框架等强度要求低,节省材料投入,不需要设置压力调节装置,也不存在压力阀门的泄露问题等优势。
但是方形常压电解槽的占地面积较大,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。从布局企业来看,国际知名大标方电解槽企业--蒂森克虏伯采用的就是方形常压的技术路线。而国内三一氢能、蓝拓氢能、宏泽科技等多家企业也在布局方形常压电解槽。
其中,宏泽科技6月发布的2000标方/小时碱性水制氢电解槽采用的就是方形常压的技术路线。据了解,此次下线的2000标方/小时的Hz电解槽额定电流密度为8000 A/m2;负荷适应范围宽,可在10%~110% 之间协同风光等可再生能源波动特性进行调节;维护方便,可在现场进行检修和更换;便于模块化,大型化,成组布置后可实现单套系统8000标方/小时。
圆形带压
圆形带压是国内碱性电解槽最主流的技术路线之一,也是目前大标方碱槽新品发布较多的。
圆形带压电解槽的耐压性能更好,更容易实现压力密封,相对于常压电解槽,更易降低电耗,可以根据需要调节运行压力,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。但是,圆形带压电解槽对于材料耐压性能的要求高,存在设计和制造难度增加、运输不便停、机维修成本增加较高等问题。
从布局企业来看,今年隆基氢能、三一氢能、双良集团、苏氢制氢、奥扬绿能、上海电气、苏氢制氢、中电丰业等多家企业相继发布了2000标方及以上的圆形带压技术路线电解槽新品。
隆基氢能科技有限公司9月在无锡发布全新一代碱性电解水制氢设备ALK G系列产品(以下简称G系列产品)。G系列产品定位为大型商业化绿氢装备,产氢量最大可达3000Nm³/h。在降低设备成本的同时,保持产品性能稳定与较低电耗,适配用氢需求大的化工、冶金、炼化等工业领域。
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双良集团11月在第六届国际氢能展上向外界展示了JSDJ S1系列碱性水电解槽新品。该电解槽通过流场结构的优化设计,制造装配的严格管控,可实现最大产氢量2000Nm³/h。同时,依托双良先进的全智慧化系统Wonder Cloud/OS数字化平台+AI算法+AIoT终端一体化系统技术,保证系统在最优工况下稳定运行,提升氢能产量,减少启动速度,减少人员干预和操作,让氢能变得更智慧。
图片来源:双良集团
苏氢氢能1月在浙江湖州成功举行2000Nm³/h绿氢系统下线暨交付仪式。该2000Nm³/h水电解制氢系统,是苏氢自主独立研发,具有完全自主知识产权。电解槽采用新型蜂窝电极、新型膈膜材料、完善和优化了双极板流场及流道结构;密封垫片添加新型材料并采用第四代压制工艺,从而其刚性、抗蠕变性、耐腐蚀性再上一个台阶。实现了大电流密度、宽动态调节波峰范围和低能耗、高稳定性等多项关键技术的突破。
上海电气旗下上海氢器时代科技有限公司(下称“氢器时代”)6月在首届国际碳博会上正式发布2000Nm³/h碱性电解槽。氢器时代此次发布的2000Nm³/h碱性电解槽产品,电流密度提升至3500A/m³,直流能耗降低至4.15kWh/Nm³H2@3000A/m³,整体性能同比提升8%,单位标方氢气的生产成本同比下降6%,同等规模产氢量下占地面积同比降低33%。
中电丰业发布的2000Nm³/h碱性电解水制氢设备产品为中电丰业完全自主知识产权,电解槽采用国际公认对标性新型隔膜材料,单槽产氢量为2000Nm³/h,可扩容至4000Nm³/h,与原有技术相比,其运行电流密度提升30%,电解槽槽体重量降低40%,整套制氢系统具备30%-110%的宽负荷调节能力,能耗超过国标一级能效标准,显著降低可再生能源制氢运行成本。
奥扬绿能在10月发布了名为“鲲鹏2000”的2000Nm³/h碱式电解水制氢装备和大容积车载液氢瓶。“鲲鹏2000”不仅在制氢量上再创新高,还在安全性、使用寿命、经济性上依仗自身强大的科研实力有了新的突破。
模块化
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。但是由于单个模块制氢规模小,大规模制氢场景需要大量模块堆叠,系统复杂度提升,在经济性方面有局限性。从布局企业来看,国内采用模块化技术路线的企业并不多,其中爱德曼氢能是为数不多的典型代表。
爱德曼氢能在10月发布了4000Nm³/h新型高性能碱性电解槽,是目前国际首套国产化4000Nm³/h撬装产品。
图片来源:爱德曼氢能
爱德曼表示,该撬装产品由爱德曼100Nm³/h标准模块化电解槽并联而成,通过结构、材料、工艺、控制系统上的创新,电解制氢系统具备了大/小碱液循环能力,系统分级功率制氢管理、超高电流密度、宽功率波动范围特性。产品具备了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。产品占地面积小,大大降低土建成本,额定产氢量为每小时4000Nm³氢气
在势银走访调研中,对于目前主流三种思路做大碱性电解槽标方的创新趋势,不同企业看法不同。
部分业内企业表示,不管是哪种技术路线,要始终从客户角度考虑,解决终端用户的成本(LCOH)问题。如果圆形带压的电解槽设计在未来能够通过高度的标准化、模块化生产实现较低的成本,那么方形常压的发展必要性就有待考量。
势银氢链调研得知,目前在项目中实际应用的大标方碱性电解槽产品多数采用的是圆形带压技术,考虑到技术的成熟度、产品的稳定性等多重因素,这个路线可能会率先完成大规模新能源项目的实际运行验证,而其他两种路线还需要关注其后续的示范应用情况。
需要注意的是,无论哪种技术路线的大标方碱性电解槽在实际运行中的可靠性和稳定性,仍需要经过示范项目的验证。目前市场上大标方碱性电解槽的新品不断涌现,但多数仅代表实验室的测试结果,缺乏在实际工况应用的验证。
因此,在未来实际应用中,还需要对产品进行打磨和迭代,以提高其可靠性和稳定性。