随着氢能产业的快速发展，对氢气的产量需求不断增加，制氢装备大型化是绿氢产业发展的必然趋势。近年来，国内电解水制氢设备往大标方“前进”的趋势明显，碱性电解槽更是一马当先，仅用了短短两年多的时间，就从当时最大2500标方升至现在最大5000标方，与之相对应的是电解槽的电流密度也从4000A/m²突进到10000A/m²。 为何国内碱性电解水制氢设备企业争相比拼电流密度？现阶段电解槽向高电流密度方向发展，在技术上还存在哪些挑战？ 高电密的“诱惑” 在国内绿氢市场“内卷”严重的情况下，制氢设备大型化能够带动降本增效，意味着更大产氢量的单体电解槽可以节约更多的生产成本，电解槽价格更便宜，客户采购意愿也就更强。这也是企业陆续往大标方进阶的重要原因。 碱性电解槽在单位时间内产氢量与电解槽的体积大小和电解槽的运行电流密度有关。如果仅采用扩大小室反应面积、增加堆叠小室数量的方法，这会导致电解槽的设备体积过大、运输不便，而且小室过多也会在密封和压紧方面带来问题。 而通过提升电解槽电流密度，能够带来生产效率提高、成本降低、与可再生能源耦合性增强等好处。目前国内碱性电解槽的电流密度多数在5000A/m²以下，少数电解槽厂商可以做到6000A/m²，8000A/m²，甚至超过10000A/m²。 据业内人士介绍，电解槽电流密度提升，意味着有更多的电流通过电解槽，从而促使更多的水电解为氢气和氧气。这使得单位时间内的氢气产量大幅提升，对于大规模制氢需求来说，可以显著缩短生产时间，提高生产效率。 而且，高电流密度通常伴随着更高的电解效率。据悉，一些先进的高电流密度电解槽的能源效率可以达到70%以上，相比传统电解槽提高了10%-20%。这意味着在消耗相同电量的情况下，能够产生更多的氢气。 电解槽电流密度提升，还能让较小体积的电解槽实现较高的氢气产量。这不仅可以大幅降低电解槽核心材料采购成本、电解槽安装成本以及后期维护成本，同时也能减小电解槽的占地面积，降低土地成本，使碱性电解槽进入到场地有限的应用场景中（如海上制氢平台等）。 此外，提升电解槽电流密度还能够使碱性电解槽更好地与可再生电力匹配。在当前主流的1000标方碱性电解槽产品中，大部分的负荷调节范围在30%～110%，难以快速启动或变载，启停一般需要30～60min，负荷调节为分钟级响应。而高电流密度电解槽，能够在短时间内快速响应电源的变化，适应可再生能源输出功率的波动。据悉，一部分高电流密度的碱性电解槽产品最低运行负荷可降至10%。 正因为，高电流密度能带来这么多的好处，才让众多电解槽厂商争相推出更高电流密度的碱性电解槽新产品。 今年4月，氢器时代发布新一代碱性电解槽额定电流密度高达6000A/m²，最高可达10000A/m²；近日，双良发布自主研发的5000Nm³/h碱性水电解槽，在90摄氏度工况运行时，最高电流密度可达10600A/㎡，能耗4.7 kW h/Nm³。 提升电密的“易与难” “碱性电解水技术在国内经过40多年的发展，已经形成了一套相对成熟的研发经验。如果，单纯只想提升电解槽的电流密度，把电解槽内部的电压升高就可以了。但必须考虑电解槽本身安全和稳定，不能一味盲目追求高电流密度。”一个碱性电解槽企业的研发负责人告诉高工氢能。 在高电流密度下，电极材料会面临严重的发热、腐蚀、氧化等问题。长期的高电流冲击以及苛刻的电解环境（如高温、强酸碱等），可能导致电极材料的结构破坏、活性组分流失，出现涂层脱落、残留物堵塞管道等，影响其长期稳定运行。 高电流密度还意味着需要电极材料能够快速传导大量电子，如果导电性不足，会导致电极上的电阻增大，产生大量热量，不仅降低能量转换效率，还会对隔膜和极板镀层的长期稳定性造成影响；而且，电流密度过大，会导致电解液的浓度分布不均匀，从而影响生产效率和产品质量。 “任何技术都有其正面价值和负面影响，我们既要挖掘其巨大的潜力和优势,也需要关注其可能带来的问题和挑战。碱性电解槽研发不仅要考虑成本、经济性，还必须兼顾安全、稳定和长期运行，某个短板出问题都会前功尽弃。”这位碱性电解槽企业的研发负责人表示。 目前提升电密的思路有哪些？ 尽管提升电流密度很难，但高电密已成为碱性电解槽现阶段创新重点。碱性电解槽如何能够安全的来提升电解槽的电流密度呢？ “高电密的提升要有配套的电流传导结构、耐电化学腐蚀、流场、温度场、碱液循环和控制等配套设计，否则会带来重大安全风险（隔膜损伤、温度失控、纯度下降、杂散电流大等）。”三一氢能总经理饶洪宇表示。 目前，碱性电解槽采用方形结构、贵金属电极、复合隔膜、新的热管理等创新技术，为提升电流密度提供了解题方向。 从电解槽结构方面来看，电解槽的形状对电流密度影响很大。圆形电解槽由于极板直径大、进出口位置距离远以及小室空间小等因素，气液流体在内部往往处于不均匀分布和流动状态，易导致局部流体滞留和回流现象，电流往往集中在某些区域，降低了电解效率。 而方形电解槽拥有零极距极板结构和低液阻分布式流道，内部流场分布更均匀、简单直接，流体可从底部进，直线形从顶部出，能够有效避免电流在槽内的漂移和集中现象，抑制了杂散电流的存在。据悉，三一氢能推出的方形电解槽最高运行电密可达12000A/㎡。 从电极方面来看，要在高电流密度下实现高效的电解水反应，电极材料必须具备高催化活性，以降低反应过电位，减少电能消耗。混合贵金属氧化物电极具有高活性特点，能够大幅提高电流密度（在10000A/㎡以上），降低析氢过电位（10%以上），尤其在应对可再生能源的波动性方面，有着比雷尼镍更显著的优势。这类电极在国际上已经有成功应用案例，国内也已经出现供应商，个别企业已经在推进应用。比如力炻电极，其应用于制氢的混合贵金属氧化物涂层（MMO）电极已经在客户端实现中试，并且在近一年时间中表现稳定，反馈极佳。 从隔膜反面来看，要实现10000A/㎡的电密，复合膜相对更适合一些。主要原因与产热有关，当隔膜本征内阻大，尤其是流道设计导致的气泡内阻大的时候，电解槽容易过热，可能突破隔膜材料的耐热上限，而复合隔膜耐热性更好，电阻较低更适合高电密环境。但是复合隔膜作为一种新兴隔膜产品，由于价格和寿命的原因，还尚未实现大规模应用。 从热管理方面来看，如果不能将高电密产生的热量及时散发，可能导致电极、隔膜等部件损坏，引发安全事故。因此，需要采用有效的热管理措施，设计合适的散热结构，确保在不同工作条件下（如启动、稳定运行、停机等）的热变化能够得到有效控制。 高电密碱性电解槽是市场催生的产品，但要注意的是，制氢设备大标方、低成本、低能耗的性能表现固然重要，安全性、可靠性、稳定性也不可缺少，国内企业在推进高电流密度碱性电解槽产品落地应用时需更加谨慎。目前一些领先企业率先攻克了部分相关难题，但整体而言还需要更多的沉淀。