摘要
Summary
不同电解水制氢技术路线，并不是非此即彼的关系，而是互相竞合，各有各的适用场景，目前业界也在探索耦合碱性和PEM各自的优势，共同匹配绿电制氢。上游制氢产业的核心，是为了制备出足够便宜的绿氢，让下游能够用得起氢气，从而实现大规模工业化和消费级的用氢需求，减少二氧化碳排放。
从技术指标切入，理解不同的电解水制氢技术路线。围绕目前主流的碱性电解（ALK）和质子交换膜电解（PEM），选取电流密度/单位电耗、负荷范围/响应速率两组技术指标：①电流密度/单位电耗：电流密度决定设备成本，单位电耗决定能耗成本。电流密度越高，电解槽功率密度越大，单位功率电解槽材料用量越少，设备成本越低；单位电耗越小，每生成1Nm³氢气的耗电量越少，能耗成本越低。提高电流密度，降低单位电耗的核心均在于减少电解槽内阻。②负荷范围/响应速率：负荷范围越宽，响应速率越快→匹配风光耦合性越好。碱性电解槽负荷调节范围仅为20%-100%，难以快速启动停止和变载；PEM电解槽负荷调节范围达0%-120%，可以实现快速启动停止和快速响应。目前业界也在探索两者耦合共同匹配绿电制氢的方案。
成本是决定碱性/PEM电解槽渗透率的关键因素。国内出货量中碱性占据绝对主导，海外出货量中碱性略大于PEM；核心在于国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，海外PEM仅为碱性1.2-1.5倍，PEM的综合性价比优势在海外更为明显。未来，碱性电解槽主要以降低电耗，减少能耗成本为主，提高综合性价比；PEM电解槽主要以提高电流密度，降低贵金属铱载量，同时通过国产化+规模化，降低设备成本，PEM电解槽设备的下降路径曲线将更为陡峭。
预计到2030年，国内用氢需求量将达4500万吨，按电解水制氢占比15%、年工作小时数3000h计算，对应电解槽累计装机量将达125GW，到2030年电解槽市场空间将超1000亿元。制氢端是氢能产业的核心重要环节，未来电解槽企业的竞争格局仍会不断演化，系统端隆基、三一等风光企业具备极强竞争力，材料端将涌现一批崭新的初创企业。
风险提示：成本下降不及预期、核心技术突破不及预期、产业政策不及预期
本期作者：鲍雁辛、肖洁、陈磊
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正文
1. 从技术指标理解不同的电解水制氢技术
不同电解水制氢技术路线，并不是非此即彼的关系，而是互相竞合，各有各的适用场景，目前业界也在探索耦合碱性和PEM各自的优势，共同匹配绿电制氢。上游制氢产业的核心，是为了制备出足够便宜的绿氢，让下游能够用得起氢气，从而实现大规模工业化和消费级的用氢需求，减少二氧化碳排放。围绕目前主流的碱性电解（ALK）和质子交换膜电解（PEM），选取电流密度/单位电耗、负荷范围/响应速率两组技术指标，更好理解不同电解水制氢技术路线的区别。
1.1. 电流密度越高，单位电耗越低→设备和能耗成本小
电流密度决定设备成本，单位电耗决定能耗成本。电流密度越高，电解槽功率密度越大，单位功率电解槽材料用量越少，设备成本越低；单位电耗越小，每生成1Nm³氢气的耗电量越少，能耗成本越低。碱性电解槽的电流密度通常为0.25A/cm2-0.4A/cm2，系统电耗为4.8-5.5kwh/Nm³：PEM电解槽的电流密度通常为1A/cm2-3A/cm2，系统电耗为4.4-5kwh/Nm³。
①提高电流密度，减少设备成本。电流密度即单位面积的电流强度，代表单位面积的产氢速率大小。电流密度J=I/S，其中I=U/R，电流密度与电压、电阻和面积有关，对于给定的电压大小，内阻越小，电流密度就越大。因此，提高电流密度，核心在于减少内阻。
②降低单位电耗，减少能耗成本。在标准温度压力下（压力，温度），电解水的理论电压为1.23V（热平衡电解电压1.48V），制取1Nm³氢气所需理论电量为2390A*h，生成1Nm³氢气的理论能耗为1.23V*2390A*h=2.94kwh。在工业生产中，由于受内阻带来的过电势影响，实际电解水电压通常为1.8-2.4V，故实际生成1Nm³氢气的能耗接近5kwh。因此，降低单位能耗，核心也在于减少内阻，降低电解电压。
电解槽内部的内阻带来的过电位损失包括欧姆损失、阳极过电势、阴极过电势、传质损失。
①欧姆损失(电解质)：由电解质决定，电解质内阻越大，欧姆损失越大。碱性电解槽电解质为30%KOH溶液+PPS布，PEM电解槽电解质为全氟磺酸树脂膜，PPS布厚度在500µm至600µm，全氟磺酸树脂膜的厚度在100µm至175µm，碱性电解槽的隔膜较厚；同时，碱性的电解槽电极间的距离远大于PEM电解槽，欧姆损失更大。
②阳极/阴极过电势（催化剂）：由催化剂及其结构决定，碱性电解槽常用Ni基催化剂如雷尼镍，PEM电解槽阳极常用IrO2，阴极常用Pt/C催化剂，Ni的过电势大于Ir和Pt，碱性的阳极/阴极过电势损失更大。
③传质损失（多孔传输层/镍网）：由多孔传输层/镍网决定，电解槽在生成气体的过程中会产生气泡，当气泡堵塞在多孔传输层/镍网，或气泡在电极表面脱落不畅时会产生传质损失，为让气泡更快脱离多孔传输层/镍网需要耗能，从而产生过电势。碱性电解槽阴阳极镍网都处于30%KOH溶液中，而PEM电解槽只有阳极钛基多孔传输层处于纯水中，只有气液交界处才会产生气泡。因此，碱性电解槽的阴阳极都有传质损失，而PEM电解槽的传质损失主要来自阳极；相比碱性电解槽，PEM电解槽的总传质损失更小。
1.2. 负荷范围越宽，响应速率越快→匹配风光耦合性越
以风能和太阳能为代表的可再生能源具有明显的随机性和波动性。以风力发电为例，日内的功率输出波动范围极大，极端情况下可在0-100%范围内变化。因此，电解水制氢系统与风光等可再生能源耦合需具备较宽的功率运行范围和较快的启停响应速率。
碱性电解槽负荷调节范围为20%-100%，难以快速启动停止和变载（热启动：1min-5min；冷启动：1h-5h）。碱性电解槽采用的是物理隔膜，需要时刻保证电解槽两侧的压力平衡，以防止氢氧气体穿过多孔的隔膜引起爆炸。①负荷范围20%-100%：碱性电解槽长期运行在低功率区间时，氢气和氧气在电解槽内部通过隔膜扩散和对流引起气体交叉，存在安全风险。②启停时间久：冷启动时，碱性电解槽电流密度低，电解槽升温较慢，导致冷启动时间长；碱性隔膜在尚未达到适宜工作温度的情况下，氢氧混合比例易失衡，存在爆炸风险。
PEM电解槽负荷调节范围达0%-120%，可以实现快速启动停止和快速响应（热启动：小于5s；冷启动：5min-10min）。PEM电解槽采用的是化学隔膜，可有效阻隔氢气和氧气的交叉渗透。①负荷范围0%-120%：负荷范围宽，能够有效匹配可再生能源的间歇性、周期性特点。②启停时间短：PEM电解槽以固体为基质，热传导速度更快，无需在启动前进行较长时间的温度调整。
2. 成本决定碱性和PEM的渗透率
根据《中国氢能与燃料电池产业年度蓝皮书（2022）》，2022年国内电解槽出货量800MW，其中碱性电解槽776MW，占比97%；PEM出货量23MW，占比仅3%。对比来看，根据彭博新能源财经统计，2022年EMEA（欧洲、中东、非洲）地区碱性装机量177MW，占比62%；PEM装机量104MW，占比37%；SOEC装机量2MW，占比1%。国内出货量中碱性占据绝对主导，海外出货量中碱性略大于PEM；关键在于国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，海外PEM仅为碱性1.2-1.5倍，PEM的综合性价比优势在海外更为明显。
2.1. 碱性：降低电耗，提高综合性价比
碱性电解水制氢系统由碱性电解槽+辅助系统（电源系统、气液分离系统、纯化系统等）组成。以1000标方（5MW）的碱性电解水制氢系统为例，价格1000万元，成本700-800万元，其中碱性电解槽占比60%，电源系统/气液分离系统/纯化系统各占比10%。
碱性制氢系统每生产1标方氢气需要5kwh，电价0.3元/kwh、年工作小时数3000h，碱性电解水制氢成本为20元/kg，其中电耗成本占比82%、设备成本仅占18%。因此，未来降低碱性电解水制氢成本，核心降低单位电耗→减少能耗成本，其次是提高电流密度→减少设备成本，并保持设备性能的稳定性。目前国内厂商主要通过改进隔膜、加入贵金属催化剂、优化电解槽结构等来降低单位电耗、提高电流密度。
2.1.1. 隔膜：pps布→复合隔膜，改善亲水性、减小厚度
国内碱性电解槽普遍使用以聚苯硫醚（PPS）织物为基底的隔膜，其价格较低，但厚度大、亲水性弱→电耗较高，同时隔气性差导致氢氧容易互窜，安全性低。为降低电耗，目前主要通过对PPS织物表面涂敷功能涂层，构成一种类似三明治结构的复合隔膜，以改善亲水性并减小厚度。
碱性电解槽常用的PPS布厚度在700微米以上，采用复合隔膜可将隔膜厚度减少至500微米，实现更高的电流密度和更低的能耗。同时，复合隔膜表面涂敷浆料中含有二氧化锆和聚合物，可改善隔膜亲水性，提高隔膜与电解液的相容性，降低电解槽的内阻，提高电流密度并降低电耗。
2.1.2. 催化剂：雷尼镍→贵金属铂系催化剂
国内碱性电解槽使用的电极多以镍基（如纯镍网、泡沫镍等）为基底喷涂高活性催化剂，目前常用的涂层催化剂为雷尼镍，通过在熔炉中将具有催化活性的金属镍和铝熔合，得到的熔体进行淬火冷却，然后粉碎成为均匀的细颗粒。目前，国内多家电极企业以及科研院校明确表示低载量的贵金属催化剂可以有效降低电位，减少电耗，并增加单位面积催化活性，提高电流密度；但同时，在催化剂中添加贵金属（如铂）也会带来成本的增加。
2.2. PEM：提高电流密度，减少材料用量，降低设备成本
PEM电解水制氢系统由PEM电解槽+辅助系统（电源系统、气液分离系统、纯化系统等）组成。以海外1000标方（5MW）的PEM电解水制氢系统为例，售价4400万元，成本3000-4000万元，其中PEM电解槽占比60%：辅助系统中，电源系统占比50%、气液分离系统+纯化系统占比25%。
PEM制氢系统每生产1标方氢气需要4.5kwh，电价0.3元/kwh、年工作小时数3000h，PEM电解水制氢成本为31元/kg，其中电耗成本接近52%、设备成本占比48%。相比碱性，PEM的设备成本仍然占比较高，因此未来核心要通过提高电流密度、降低贵金属铱载量来减少设备折旧成本。
2.2.1. 提高电流密度，等比例降低设备材料成本
目前国内厂商电流密度为1-1.2A/cm2，海外成熟厂商电流密度为2A/cm2；根据美国DOE目标，到2030年电流密度可提升至2.5-3A/cm2。参考海外成熟PEM电解水制氢设备的材料成本及用量，根据我们测算，电流密度从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. 降低贵金属催化剂铱载量
目前国内贵金属催化剂铱载量为2-4mg/cm2，海外成熟厂商贵金属催化剂铱载量为1.2mg/cm2；根据美国DOE目标，到2030年铱载量0.3mg/cm2。目前，铱年产量7-9吨（铱是铂的伴生矿，且高度集中于南非，铂年产量200吨左右，铱/铂的伴生比例1/25），按电解电压1.9V、电流密度2A/cm2，铱载量1.2mg/cm2可满足PEM电解槽年产能28GW，铱载量0.3mg/cm2可满足PEM年出货量115GW。
2.2.3.国产化+规模化：质子交换膜、钛毡、钛板和辅助系统
在提高电流密度，降低贵金属铱载量之外，质子交换膜、钛毡、钛板以及BOP辅助系统的国产化和规模化也是PEM电解槽系统降本的重要驱动力。①质子交换膜：目前多采用美国杜邦的Nafion117和115系列全氟磺酸硫型膜，国内东岳氢能等也已具备成熟稳定的产品。②多孔传输层：阳极采用钛毡居多，阴极采用碳毡居多；钛毡的龙头企业是比利时的贝卡尔特，国内涉足钛毡的企业有浙江菲尔特、动量守恒等。③双极板：目前采用蚀刻的钛板，并在钛板上进行贵金属铂涂层；上海治臻正研发电解槽冲压双极板，并减少镀层贵金属厚度。
3. 竞争格局持续演变，共享千亿制氢市场
根据我们测算，预计到2030年，国内用氢需求量将达4500万吨，若电解水制氢占比达15%，对应电解槽累计装机量将达125GW。2030年，国内电解槽出货量54GW，其中碱性电解槽36GW、PEM电解槽17GW，对应市场空间超1000亿元。
制氢端是氢能产业的核心重要环节，未来电解槽企业的竞争格局仍会不断演化，系统端隆基、三一等风光企业具备极强竞争力，材料端将涌现一批崭新的初创企业。目前，国内电解槽企业大体可分为五大类：①老牌厂商，如中船718所（派瑞氢能）、考克利尔竞立、大陆制氢、赛克赛斯，技术积累时间久、经验丰富。②国企央企，国电投、中石化、上海电气、东方电气等大型国央企制定氢能战略路线图，布局氢能全产业链；③上市公司，尤其以光伏风电龙头企业为甚，隆基氢能、阳光氢能科技、三一氢能等具备极强竞争力；华电重工、华光环能等也依据自身资源禀赋切入制氢领域。④燃料电池企业，PEM电解槽与PEM燃料电池电堆在结构及材料体系具有一定相似度，亿华通、上海治臻等燃料电池企业也逐步从下游向上游渗透。⑤初创企业，一级市场将是氢能产业创新的沃土，未来制氢产业，特别是核心材料端将涌现一大批CEO+技术骨干特征的创业公司，成长为行业的新星。
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