摘要
Summary
不同電解水制氫技術路線，并不是非此即彼的關系，而是互相競合，各有各的适用場景，目前業界也在探索耦合堿性和PEM各自的優勢，共同比對綠電制氫。上遊制氫産業的核心，是為了制備出足夠便宜的綠氫，讓下遊能夠用得起氫氣，進而實作大規模工業化和消費級的用氫需求，減少二氧化碳排放。
從技術名額切入，了解不同的電解水制氫技術路線。圍繞目前主流的堿性電解（ALK）和質子交換膜電解（PEM），選取電流密度/機關電耗、負荷範圍/響應速率兩組技術名額：①電流密度/機關電耗：電流密度決定裝置成本，機關電耗決定能耗成本。電流密度越高，電解槽功率密度越大，機關功率電解槽材料用量越少，裝置成本越低；機關電耗越小，每生成1Nm³氫氣的耗電量越少，能耗成本越低。提高電流密度，降低機關電耗的核心均在于減少電解槽内阻。②負荷範圍/響應速率：負荷範圍越寬，響應速率越快→比對風光耦合性越好。堿性電解槽負荷調節範圍僅為20%-100%，難以快速啟動停止和變載；PEM電解槽負荷調節範圍達0%-120%，可以實作快速啟動停止和快速響應。目前業界也在探索兩者耦合共同比對綠電制氫的方案。
成本是決定堿性/PEM電解槽滲透率的關鍵因素。國内出貨量中堿性占據絕對主導，海外出貨量中堿性略大于PEM；核心在于國内PEM裝置成本是堿性的4-6倍，海外PEM僅為堿性1.2-1.5倍，PEM的綜合成本效益優勢在海外更為明顯。未來，堿性電解槽主要以降低電耗，減少能耗成本為主，提高綜合成本效益；PEM電解槽主要以提高電流密度，降低貴金屬銥載量，同時通過國産化+規模化，降低裝置成本，PEM電解槽裝置的下降路徑曲線将更為陡峭。
預計到2030年，國内用氫需求量将達4500萬噸，按電解水制氫占比15%、年工作小時數3000h計算，對應電解槽累計裝機量将達125GW，到2030年電解槽市場空間将超1000億元。制氫端是氫能産業的核心重要環節，未來電解槽企業的競争格局仍會不斷演化，系統端隆基、三一等風光企業具備極強競争力，材料端将湧現一批嶄新的初創企業。
風險提示：成本下降不及預期、核心技術突破不及預期、産業政策不及預期
本期作者：鮑雁辛、肖潔、陳磊
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正文
1. 從技術名額了解不同的電解水制氫技術
不同電解水制氫技術路線，并不是非此即彼的關系，而是互相競合，各有各的适用場景，目前業界也在探索耦合堿性和PEM各自的優勢，共同比對綠電制氫。上遊制氫産業的核心，是為了制備出足夠便宜的綠氫，讓下遊能夠用得起氫氣，進而實作大規模工業化和消費級的用氫需求，減少二氧化碳排放。圍繞目前主流的堿性電解（ALK）和質子交換膜電解（PEM），選取電流密度/機關電耗、負荷範圍/響應速率兩組技術名額，更好了解不同電解水制氫技術路線的差別。
1.1. 電流密度越高，機關電耗越低→裝置和能耗成本小
電流密度決定裝置成本，機關電耗決定能耗成本。電流密度越高，電解槽功率密度越大，機關功率電解槽材料用量越少，裝置成本越低；機關電耗越小，每生成1Nm³氫氣的耗電量越少，能耗成本越低。堿性電解槽的電流密度通常為0.25A/cm2-0.4A/cm2，系統電耗為4.8-5.5kwh/Nm³：PEM電解槽的電流密度通常為1A/cm2-3A/cm2，系統電耗為4.4-5kwh/Nm³。
①提高電流密度，減少裝置成本。電流密度即機關面積的電流強度，代表機關面積的産氫速率大小。電流密度J=I/S，其中I=U/R，電流密度與電壓、電阻和面積有關，對于給定的電壓大小，内阻越小，電流密度就越大。是以，提高電流密度，核心在于減少内阻。
②降低機關電耗，減少能耗成本。在标準溫度壓力下（壓力，溫度），電解水的理論電壓為1.23V（熱平衡電解電壓1.48V），制取1Nm³氫氣所需理論電量為2390A*h，生成1Nm³氫氣的理論能耗為1.23V*2390A*h=2.94kwh。在工業生産中，由于受内阻帶來的過電勢影響，實際電解水電壓通常為1.8-2.4V，故實際生成1Nm³氫氣的能耗接近5kwh。是以，降低機關能耗，核心也在于減少内阻，降低電解電壓。
電解槽内部的内阻帶來的過電位損失包括歐姆損失、陽極過電勢、陰極過電勢、傳質損失。
①歐姆損失(電解質)：由電解質決定，電解質内阻越大，歐姆損失越大。堿性電解槽電解質為30%KOH溶液+PPS布，PEM電解槽電解質為全氟磺酸樹脂膜，PPS布厚度在500µm至600µm，全氟磺酸樹脂膜的厚度在100µm至175µm，堿性電解槽的隔膜較厚；同時，堿性的電解槽電極間的距離遠大于PEM電解槽，歐姆損失更大。
②陽極/陰極過電勢（催化劑）：由催化劑及其結構決定，堿性電解槽常用Ni基催化劑如雷尼鎳，PEM電解槽陽極常用IrO2，陰極常用Pt/C催化劑，Ni的過電勢大于Ir和Pt，堿性的陽極/陰極過電勢損失更大。
③傳質損失（多孔傳輸層/鎳網）：由多孔傳輸層/鎳網決定，電解槽在生成氣體的過程中會産生氣泡，當氣泡堵塞在多孔傳輸層/鎳網，或氣泡在電極表面脫落不暢時會産生傳質損失，為讓氣泡更快脫離多孔傳輸層/鎳網需要耗能，進而産生過電勢。堿性電解槽陰陽極鎳網都處于30%KOH溶液中，而PEM電解槽隻有陽極钛基多孔傳輸層處于純水中，隻有氣液交界處才會産生氣泡。是以，堿性電解槽的陰陽極都有傳質損失，而PEM電解槽的傳質損失主要來自陽極；相比堿性電解槽，PEM電解槽的總傳質損失更小。
1.2. 負荷範圍越寬，響應速率越快→比對風光耦合性越
以風能和太陽能為代表的可再生能源具有明顯的随機性和波動性。以風力發電為例，日内的功率輸出波動範圍極大，極端情況下可在0-100%範圍内變化。是以，電解水制氫系統與風光等可再生能源耦合需具備較寬的功率運作範圍和較快的啟停響應速率。
堿性電解槽負荷調節範圍為20%-100%，難以快速啟動停止和變載（熱啟動：1min-5min；冷啟動：1h-5h）。堿性電解槽采用的是實體隔膜，需要時刻保證電解槽兩側的壓力平衡，以防止氫氧氣體穿過多孔的隔膜引起爆炸。①負荷範圍20%-100%：堿性電解槽長期運作在低功率區間時，氫氣和氧氣在電解槽内部通過隔膜擴散和對流引起氣體交叉，存在安全風險。②啟停時間久：冷啟動時，堿性電解槽電流密度低，電解槽升溫較慢，導緻冷啟動時間長；堿性隔膜在尚未達到适宜工作溫度的情況下，氫氧混合比例易失衡，存在爆炸風險。
PEM電解槽負荷調節範圍達0%-120%，可以實作快速啟動停止和快速響應（熱啟動：小于5s；冷啟動：5min-10min）。PEM電解槽采用的是化學隔膜，可有效阻隔氫氣和氧氣的交叉滲透。①負荷範圍0%-120%：負荷範圍寬，能夠有效比對可再生能源的間歇性、周期性特點。②啟停時間短：PEM電解槽以固體為基質，熱傳導速度更快，無需在啟動前進行較長時間的溫度調整。
2. 成本決定堿性和PEM的滲透率
根據《中國氫能與燃料電池産業年度藍皮書（2022）》，2022年國内電解槽出貨量800MW，其中堿性電解槽776MW，占比97%；PEM出貨量23MW，占比僅3%。對比來看，根據彭博新能源财經統計，2022年EMEA（歐洲、中東、非洲）地區堿性裝機量177MW，占比62%；PEM裝機量104MW，占比37%；SOEC裝機量2MW，占比1%。國内出貨量中堿性占據絕對主導，海外出貨量中堿性略大于PEM；關鍵在于國内PEM裝置成本是堿性的4-6倍，海外PEM僅為堿性1.2-1.5倍，PEM的綜合成本效益優勢在海外更為明顯。
2.1. 堿性：降低電耗，提高綜合成本效益
堿性電解水制氫系統由堿性電解槽+輔助系統（電源系統、氣液分離系統、純化系統等）組成。以1000标方（5MW）的堿性電解水制氫系統為例，價格1000萬元，成本700-800萬元，其中堿性電解槽占比60%，電源系統/氣液分離系統/純化系統各占比10%。
堿性制氫系統每生産1标方氫氣需要5kwh，電價0.3元/kwh、年工作小時數3000h，堿性電解水制氫成本為20元/kg，其中電耗成本占比82%、裝置成本僅占18%。是以，未來降低堿性電解水制氫成本，核心降低機關電耗→減少能耗成本，其次是提高電流密度→減少裝置成本，并保持裝置性能的穩定性。目前國内廠商主要通過改進隔膜、加入貴金屬催化劑、優化電解槽結構等來降低機關電耗、提高電流密度。
2.1.1. 隔膜：pps布→複合隔膜，改善親水性、減小厚度
國内堿性電解槽普遍使用以聚苯硫醚（PPS）織物為基底的隔膜，其價格較低，但厚度大、親水性弱→電耗較高，同時隔氣性差導緻氫氧容易互竄，安全性低。為降低電耗，目前主要通過對PPS織物表面塗敷功能塗層，構成一種類似三明治結構的複合隔膜，以改善親水性并減小厚度。
堿性電解槽常用的PPS布厚度在700微米以上，采用複合隔膜可将隔膜厚度減少至500微米，實作更高的電流密度和更低的能耗。同時，複合隔膜表面塗敷漿料中含有二氧化锆和聚合物，可改善隔膜親水性，提高隔膜與電解液的相容性，降低電解槽的内阻，提高電流密度并降低電耗。
2.1.2. 催化劑：雷尼鎳→貴金屬鉑系催化劑
國内堿性電解槽使用的電極多以鎳基（如純鎳網、泡沫鎳等）為基底噴塗高活性催化劑，目前常用的塗層催化劑為雷尼鎳，通過在熔爐中将具有催化活性的金屬鎳和鋁熔合，得到的熔體進行淬火冷卻，然後粉碎成為均勻的細顆粒。目前，國内多家電極企業以及科研院校明确表示低載量的貴金屬催化劑可以有效降低電位，減少電耗，并增加機關面積催化活性，提高電流密度；但同時，在催化劑中添加貴金屬（如鉑）也會帶來成本的增加。
2.2. PEM：提高電流密度，減少材料用量，降低裝置成本
PEM電解水制氫系統由PEM電解槽+輔助系統（電源系統、氣液分離系統、純化系統等）組成。以海外1000标方（5MW）的PEM電解水制氫系統為例，售價4400萬元，成本3000-4000萬元，其中PEM電解槽占比60%：輔助系統中，電源系統占比50%、氣液分離系統+純化系統占比25%。
PEM制氫系統每生産1标方氫氣需要4.5kwh，電價0.3元/kwh、年工作小時數3000h，PEM電解水制氫成本為31元/kg，其中電耗成本接近52%、裝置成本占比48%。相比堿性，PEM的裝置成本仍然占比較高，是以未來核心要通過提高電流密度、降低貴金屬銥載量來減少裝置折舊成本。
2.2.1. 提高電流密度，等比例降低裝置材料成本
目前國内廠商電流密度為1-1.2A/cm2，海外成熟廠商電流密度為2A/cm2；根據美國DOE目标，到2030年電流密度可提升至2.5-3A/cm2。參考海外成熟PEM電解水制氫裝置的材料成本及用量，根據我們測算，電流密度從1A/cm2提升至2A/cm2→成本降低50%，提升至3A/cm2→成本降低67%。
2.2.2. 降低貴金屬催化劑銥載量
目前國内貴金屬催化劑銥載量為2-4mg/cm2，海外成熟廠商貴金屬催化劑銥載量為1.2mg/cm2；根據美國DOE目标，到2030年銥載量0.3mg/cm2。目前，銥年産量7-9噸（銥是鉑的伴生礦，且高度集中于南非，鉑年産量200噸左右，銥/鉑的伴生比例1/25），按電解電壓1.9V、電流密度2A/cm2，銥載量1.2mg/cm2可滿足PEM電解槽年産能28GW，銥載量0.3mg/cm2可滿足PEM年出貨量115GW。
2.2.3.國産化+規模化：質子交換膜、钛氈、钛闆和輔助系統
在提高電流密度，降低貴金屬銥載量之外，質子交換膜、钛氈、钛闆以及BOP輔助系統的國産化和規模化也是PEM電解槽系統降本的重要驅動力。①質子交換膜：目前多采用美國杜邦的Nafion117和115系列全氟磺酸硫型膜，國内東嶽氫能等也已具備成熟穩定的産品。②多孔傳輸層：陽極采用钛氈居多，陰極采用碳氈居多；钛氈的龍頭企業是比利時的貝卡爾特，國内涉足钛氈的企業有浙江菲爾特、動量守恒等。③雙極闆：目前采用蝕刻的钛闆，并在钛闆上進行貴金屬鉑塗層；上海治臻正研發電解槽沖壓雙極闆，并減少鍍層貴金屬厚度。
3. 競争格局持續演變，共享千億制氫市場
根據我們測算，預計到2030年，國内用氫需求量将達4500萬噸，若電解水制氫占比達15%，對應電解槽累計裝機量将達125GW。2030年，國内電解槽出貨量54GW，其中堿性電解槽36GW、PEM電解槽17GW，對應市場空間超1000億元。
制氫端是氫能産業的核心重要環節，未來電解槽企業的競争格局仍會不斷演化，系統端隆基、三一等風光企業具備極強競争力，材料端将湧現一批嶄新的初創企業。目前，國内電解槽企業大體可分為五大類：①老牌廠商，如中船718所（派瑞氫能）、考克利爾競立、大陸制氫、賽克賽斯，技術積累時間久、經驗豐富。②國企央企，國電投、中石化、上海電氣、東方電氣等大型國央企制定氫能戰略路線圖，布局氫能全産業鍊；③上市公司，尤其以光伏風電龍頭企業為甚，隆基氫能、陽光氫能科技、三一氫能等具備極強競争力；華電重工、華光環能等也依據自身資源禀賦切入制氫領域。④燃料電池企業，PEM電解槽與PEM燃料電池電堆在結構及材料體系具有一定相似度，億華通、上海治臻等燃料電池企業也逐漸從下遊向上遊滲透。⑤初創企業，一級市場将是氫能産業創新的沃土，未來制氫産業，特别是核心材料端将湧現一大批CEO+技術骨幹特征的創業公司，成長為行業的新星。
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國君産業研究氫能報告合集
1. 《氫能專題系列報告（一）：迎接綠氫時代，電解槽裝置正啟航》（2022-05-28）
2. 《氫能專題系列報告（二）：氫催化劑，觸媒而起》（2022-08-24）
3. 《氫能專題系列報告（三）：從制氫成本和氫氣供求結構看氫市場潛力》（2022-09-23）
4. 《探索核能制氫星辰大海》（2022-12-14）
5. 《液氫：儲運技術的下一個突破口》（2023-05-19）