随着“双碳”政策的不断推进和深化，可再生能源电力成本的降低，氢燃料电池汽车的规模化推广和氢能市场的逐渐成熟，市场对氢气的需求呈爆发式增长，绿氢成为氢能发展的必经之路。氢能产业链较长，绿氢制取率先受益。随着国家政策的不断加码和绿氢制取技术的不断进步，电解水制氢成为制取绿氢的重要方法。随着电解水制氢规模的提升，电解槽市场也迅速增长。

那么什么是电解槽？

电解槽有哪几种类型？

电解槽发展到现在到了什么阶段？

下面为您详细介绍一下。

电解槽的定义

电解槽是水电解制取氢气和氧气的主要设备。电解槽由槽体、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取所需产品。

电解槽的主要类型

根据不同技术的特点和应用范围，电解槽可分为碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）、阴离子交换膜电解槽（AEM）和固态氧化物电解槽（SOEC）四种类型。

电解槽的结构及系统原理

四种类型的电解槽技术特点不同，构成结构与系统原理也各不相同。

1、碱性电解槽

碱性制氢电解槽的结构，主要有隔膜、正/负极网、极板、极框、垫片、紧固螺杆与螺母、端板等。

从结构上看，碱性电解槽的组装跟氢燃料电池电堆类似，在端板的基础上，逐一装配极板、支撑网、负极网、隔膜、正极网、支撑网、极框、垫片，再以此重复，最后装上另一端的端板，用紧固螺杆固定。

另外，极框在经过粗、精立车后与极板焊接，再与镍丝网焊接，而隔膜、极板、镍网、垫片均需切割后组装。

电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍，其性能对电流密度和电解效率有决定性影响，其成本约占系统成本的28%；隔膜用于将两极隔离开，要求保障气密性的同时，降低电阻以减少电能损耗，密封垫片用于解决极片之间的绝缘问题，其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。

2、PEM电解槽

电解槽是电解反应制氢的核心装置，PEM电解槽采用质子交换膜作为电解质，结构和性能具有一定优势。PEM电解槽同样由多个电解单元堆叠而成，每个单元均由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板构成。

PEM电解槽使用质子交换膜作为固体电解质，替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(KOH溶液)，内阻更小、内部结构更为紧凑，电解效率大幅提高，规模选择也更为灵活。

3、固体氧化物电解槽（SOEC）：

SOEC槽体原理：

这类电解槽在高温（700-850℃）下工作。优点是有利的动力学条件，使用相对便宜的镍电极成为可能；减少了电力需求，部分用于分解水的能量可通过热能获得（可以利用余热，基于电力计量的表观效率可以高于 100%）；可逆性潜力（作为燃料电池和电解槽工作），二氧化碳和水同步电解生成合成气。缺点是：热化学循环会加快劣化和缩短使用寿命，特别是在停机/启动期间。导致电堆性能下降的其他问题还包括：高气压差下的密封难题；使用二氧化硅作为密封剂造成电极污染；以及其他来自管道、连接件和密封的污染源。目前 SOEC部署仅限于kW级别， 也有一些示范项目已经达到1 MW。

SOEC系统原理：

4、阴离子交换膜（AEM）：

AEM槽体结构原理

这是一项最新的技术，目前只有少数几家公司正在进行商业化推广，且落地项目很少。AEM 的潜力在于避免了碱性电解槽的恶劣碱性运行环境，并与 PEM 电解槽的简单高效特性相结合。

这类电解槽可以使用非贵金属催化剂、不含钛组件，同 PEM 一样可在差压下工作。事实上 AEM 膜存在化学和机械稳定性问题，导致电解槽使用寿命不稳定。另由于 AEM 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢等原因，所以性能也不如预期的理想。

一般电解质性能可通过调整 AEM 膜的电导率性能或增加支持电解质（如 KOH 或碳酸氢钠[NaHCO3]）方法得到提高。然而，如此调整可能会降低电解槽的耐用性。本质上，OH-离子比 PEM内部的 H+质子慢三倍（电导率低）， 因此 AEM 开发商需要制造出更薄的或具有更高电荷密度的 AEM 电解质膜。

AEM系统结构原理

电解槽优缺点

了解了电解槽的构造，每种类型电解槽都具备各自的优势和挑战。碱性电解槽以其稳健性和低成本著称，PEM电解槽因其高效性而备受关注，SOEC凭借热能利用的高效性成为未来工业应用的强劲选手，而AEM则作为一项新兴产品。

1. 碱性电解槽 优点:制造相对容易，电极面积可达3平方米。 使用寿命超过30年，维护成本低。使用0.252毫米厚的隔膜减少气体混合，提高电流密度。缺点:由于气体混合，可能导致效率下降。 尽管现代设计提高了电流密度，但与PEM技术相比仍有差距。

2. 质子交换膜电解槽优点: 使用全氟磺酸膜，可在低电阻下实现高电流密度。适合大规模应用，尤其是在氧气侧大气压下氢气侧压力高达70巴。缺点:高材料成本（如铱、铂、钛）导致成本较高。 对水中的杂质（如铁、铜、铬和钠）非常敏感，容易发生钙化。

3. 固体氧化物电解槽优点:在700-850°C下运行，有助于加速反应动力学。可以使用相对便宜的镍电极，部分能量通过热能提供。缺点: 高温运行导致材料更快降解，使用寿命较短。 主要应用于千瓦级系统，部分示范项目已达兆瓦级。

4. 阴离子交换膜电解槽优点: 结合了碱性电解槽的温和操作环境和PEM电解槽的高效设计。可以使用非贵金属催化剂和无钛组件。缺点:存在化学和机械稳定性问题，导致使用寿命不稳定。 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢。

主流电解槽的性能要求及选择顺序

电解槽是电解水制氢的关键设备，其性能和效率直接影响到氢能的产量以及能源的消耗。目前，国内主流电解槽性能要求：高氢气纯度、低能耗、结构简单、制造与维修方便且成本低廉、使用寿命长、材料利用率高。

中国主流电解槽产业成熟度顺序：ALK> PEM > AEM> SOEC ；

ALK电解槽：规模化制氢首选，存在问题包括低制氢效率、过程污染和高耗电量，未来有降本空间；

PEM电解槽：商业化初期，效率比ALK高，耗电量较低，适合风光发电氢能制取，但成本高（贵金属使用）且产氢规模较小，未来需降低成本和扩大规模；

AEM电解槽：结合ALK造价优势和PEM效率优势，具有成本低和高效制氢的潜力，但阴离子交换膜研发难度大，目前仍在实验室阶段；

SOEC电解槽：处于实验室放大阶段，800°C以上环境下效率最高，但造价成本远超ALK和PEM，并且可逆反应特性使其在未来氢储能领域具有应用前景。

电解槽的应用前景

随着全球能源转型和氢能经济的快速发展，电解槽市场的需求正在不断增长。

国内市场方面，据TrendBank预计，到2025年，我国绿色可再生氢气的需求量将达到130万吨，而2023-2025年的电解水制氢设备累计出货量预计达到17GW以上。假设碱性电解槽占比85%，PEM电解槽占比15%，预计2023-2025年电解槽累计市场空间达320.3亿元，其中碱性电解槽市场空间达216.8亿元，PEM电解槽市场空间达103.5亿元。

全球市场方面，预计到2030年，全球电解槽累计市场空间将接近2000亿元。根据IEA的预测，2022年全球电解槽装机容量已达1.4GW，其中中国占比约40%，欧洲占比三分之一左右。预计到2030年，全球电解槽装机容量将达到134GW，其中碱性电解槽占比64%，PEM电解槽占比22%，SOEC占比4%。经测算，我们预计到2030年，全球电解槽市场空间将达1937.6亿元，其中碱性电解槽市场空间达1029.1亿元，PEM电解槽市场空间达854.9亿元，SOEC市场空间达53.6亿元。

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