绿氢技术岔路口：碱水制氢之后 PEM优势与潜力渐显｜未来产业调研笔记

氢能被誉为“21世纪的终极能源”。在灰氢、蓝氢、绿氢三条制氢技术路线中，绿氢是唯一能够摆脱化石能源，实现清洁脱碳的制氢方式，并可以作为可再生能源储存和转化的理想载体，被认为是未来氢能的主流路线。

　　四大绿氢制备路线中，哪一条代表未来趋势？绿氢降本之路会如何推进？本文将结合行业专家的专访，对这些关键问题做分析探讨。

　　电解水制氢四条技术路线

　　绿氢即电解水制氢，目前市场上主要有碱性电解（ALK）、质子交换膜电解 （PEM）、固体氧化物电解（SOEC）和阴离子交换膜（AEM） 四种技术路线。

　　碱性电解（ALK）技术是目前电解水领域中最成熟的技术，基本原理是水在电流作用下通过电化学反应被分解为氢气和氧气，二者分别在电解池的阴极和阳极析出。

　　PEM电解的工作原理是水在阳极通过催化作用分解为氧气和氢离子（H+），氢离子随后穿越电解质隔膜到达阴极，并在阴极处获得电子生成氢气，反应完成后，氢气和氧气分别通过阴阳极的双极板进行收集并输送；该技术当前处于市场化初期阶段，核心组件涵盖具有出色质子交换能力的聚合物薄膜，以及紧密贴合在电解质薄膜两侧的阴阳极催化层。

　　AEM电解槽作为一种新型的电解设备，采用阳离子交换膜作为隔膜，能够在更广泛的pH范围内运行。

　　SOEC电解槽是一种高温电解设备，其制氢原理在于使用固态氧化物作为电解质，并在高温条件下运行，从而实现水或二氧化碳的电化学分解。

　　四条技术路线在目前发展阶段分别有哪些优缺点？接受第一财经专访时，中国能建华北电力设计院高级工程师田江南对四种电解水制氢的技术路线进行了分析比较。

　　他表示，ALK是目前最主流的技术路线，市场占有率约95%，主要是利用镍网作为电极、PPS材料作为隔膜，虽然这种技术已经有上百年的历史，但存在结构性限制因素，比如电极与隔膜之间有较大间距、电流密度较低、隔膜的承压能力差、体积较大等；PEM技术是为了解决ALK的低电密问题而提出的，它采用了零间距的膜电极技术，优点是电流密度较高、响应速度更快，但也存在弊端，比如催化剂需要铂、铱等贵金属，隔膜依赖国外进口材料等，限制了其发展；AEM技术综合了ALK与PEM的优势，具有零间距、电密高、隔膜承压能力大等优势，近半年来发展势头迅猛，已有厂家开始推出AEM产品；SOEC技术目前尚处于实验室阶段，该技术由于需要维持在800℃左右的高温状态，因此使用场景受限，主要适用于有废热产生的场景，距离商业化较远。

　　PEM的优势与市场潜力渐显

　　综合来看，PEM技术是碱水制氢之后最有可能先实现产业化落地的路线。那么，这种技术相较于碱水制氢有哪些特点？

　　山东赛克赛斯氢能源公司是国内最早从事PEM纯水电解制氢装备的国家高新技术企业之一，至今已有30余年历史，对PEM技术和设备有着深入研究。赛克赛斯副总经理丁孝涛在接受第一财经专访时表示，PEM技术相较碱水制氢主要有三大优势，即具备全生命周期经济性、与可再生能源耦合更好、氢气纯度高延长燃料电池寿命。

　　首先，从成本角度出发，目前碱水制氢能够占据主流，主要是因为设备成本低。然而对比全生命周期成本，PEM技术虽然初始设备投资成本较高，大约是碱水制氢的3-5倍，但由于它的后期维护成本低、使用寿命长，全生命周期运行成本可以与碱水制氢达到持平。

　　第二，能够适应可再生能源的波动性，是PEM技术的关键优势。丁孝涛表示，PEM技术能够快速响应风光等绿电的波动性、间歇性和周期性特征，从而实现更好的耦合匹配。这主要因为碱性制氢的差压分离过程在电源波动下会产生氢氧互串，产生安全隐患，且碱性制氢设备冷启动需要1小时以上，响应较慢，而PEM在这两方面则具有明显优势。PEM适配可再生能源的特性决定了其可以更大程度地利用风光绿电，从而享受绿电价格下降带来的收益。

　　第三，PEM设备产氢的纯度高，杂质种类少，是氢燃料电池或其他高品质用氢场景的最佳供氢方式。有研究表明，PEM设备生产的氢气不含一氧化碳、硫化物等会对燃料电池造成不可逆损害的杂质，可显著延长氢燃料电池的使用寿命。

　　此外，中金公司研报还指出了PEM在负荷范围和后期维护方面的优势。从负荷范围来看，碱式电解槽功率需要维持在额定功率的30%（30%~100%）以上，当可再生能源发电突然减少时会造成一定的浪费；PEM电解槽功率负荷范围可以达到5%~125%，更低的功率下限在风光发电较小时节省用电成本，同时在风光资源发电最有效的时刻超负荷运转，将可再生能源的利用率提升至最高。

　　维护成本和环保方面，得益于更小的体积和重量，PEM电解槽在运输、安装及设备更换维修时更为快捷及方便，使用叉车即可完成操作，而碱性电解槽需使用大型起重设备更换；与此同时，碱性电解槽使用碱液，需定期维护处理，维修成本更高，且碱液本身会造成环境污染，需要考虑排放问题。

　　拥有诸多优势的PEM技术，为何规模仍远不及碱水制氢？丁孝涛称，当前市场之所以还没有广泛采用PEM，一个重要原因是氢产业链整体尚处于早期发展阶段，氢储运等后续成本仍然偏高，大规模产氢后满足经济性的消纳方式仍在探索，因此大多数企业出于保守考虑，仍倾向选择碱水制氢。但随着氢能产业的发展和下游应用的成熟，未来PEM技术的市场潜力巨大。丁孝涛预计，2026年PEM技术的市场占比将达到20%以上，而绿氢与灰氢成本持平可能在2030年左右实现。同时他也强调，PEM大规模落地不仅需要设备成本的降低，更需要绿电价格的下降，以及全产业链成本的降低。

　　在PEM应用方面，中金研报显示，交通领域是应用占比最高的场景。中金预测，PEM电解槽凭借其风光耦合性强的特点在海外化工领域实现了更加广泛的应用，在化工领域的装机量将快速攀升。

　　关于AEM和SOEC技术，丁孝涛表示，AEM结合了碱水制氢和PEM技术的优点，成本介于碱水制氢和PEM之间；而SOEC虽然在炼钢等特定应用场景中有潜力，但总体更加早期，二者短期内都缺乏大规模产业化能力。

　　绿氢平价关键：降低设备成本和电价

　　氢能想最终成为光伏一样的平价能源，重点在于降本。田江南表示，实现绿氢工业化与规模化需要多重因素的共同推动，从制氢端来看，降低电价和降低设备成本是最关键的两点。

　　他分析称，第一，电价在电解水制氢的成本构成中占比约为50%-80%，是最大的可变成本，而电价在绿氢成本中所占的比例与系统的配置有关，如对电解水制氢设备选择、电源投资占比等，存在降本空间；第二，电解水制氢设备在制氢站固定投资总额中约占70%-90%，是最主要的固定成本，目前设备价格较高，降低设备成本能够有效降低制氢成本；此外，电解水制氢设备的电解效率目前普遍偏低，提升电解效率意味着消耗同样的电可以制得更多的氢气，也是降本增效的重要手段。

　　碱性电解槽降本已见成效，并且仍有空间。浙商证券研报显示，碱性电解槽已基本实现国产化，2023年国内外价格分别约为151万/MW、240万/MW，其中膜片/电极在占成本大头，约57%。田江南称，目前绿氢项目正在示范过程中，单套1000Nm³/h 的ALK电解水制氢系统的市场价格已较2020年左右降低了200万~300万元，他预计仍有100万~200万元的降本空间。

　　相比之下，PEM电解槽价格较高，降本节奏也较慢。PEM电解槽的主要成本来源包括双极板、膜电极和催化剂。浙商证券研报显示，PEM电解槽2023年国内外价格分别约为890万/MW、800万/MW，其中双极板在成本占比达53%。而我国PEM电解槽国产化率较低，主要原因有二：第一，催化剂所需的铂和铱国内储量少，依赖海外进口；第二，质子交换膜多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂。

　　电力成本对绿氢成本也有着巨大影响。根据国泰君安研报，随着电价降低，绿氢制备成本的下降趋势明显，与灰氢、蓝氢相比，当电价分别低于0.15元/kWh和0.25元/kWh时，绿氢具备成本优势，制氢成本分别为9.89元/kgH2和15.27元/kgH2。

　　除了降本，电解水制氢的便利性和安全性也是业内的重要议题。田江南表示，当前制氢设备的体积较大、重量较重，近期部分厂家推出的3000Nm³/h的碱性电解槽荷载超过100吨，不便于设备的运输和安全运行。另一方面，绿氢的零碳化需要与风力、光伏发电等可再生能源相结合，而可再生能源具有波动性、随机性、间歇性等特点，这些特点可能导致电解水制氢设备存在安全隐患。

　　据悉，电解水制氢设备的隔膜的承压能力有限，ALK制氢设备的膜承压能力大概为几十千帕，PEM制氢设备中膜的承压能力约为一百千帕，当可再生能源的电源不稳定时，可能会超出膜的承压上限，导致氢氧互串，这种安全隐患也有待解决。

　　多方企业加速布局电解槽

　　国内碱性电解槽技术源于中船718所，早期718 所、苏州竞立、天津大陆“老三家”企业瓜分市场，发展至今，碱性电解槽玩家主要包括三类：第一类是“老三家”企业，包括天津大陆、中船派瑞氢能、考克利尔竞立、康明斯等；第二类是跨界布局的新能源企业，包括阳光氢能、隆基氢能、华光环能、天合元氢；第三类是新入局者，包括广东盛氢（昇辉科技子公司）、双良节能、氢器时代、京电设备、长春绿动、氢辉能源等。

　　近年来，电解槽供给大幅提升。根据高工氢电产业研究所（GGII）调研统计，2023年国内电解水制氢电解槽出货量达1.2GW（含出口，不含研发样机），同比大幅增长61%。其中，派瑞氢能出货量排名第一，隆基氢能跻身第二，华电重工、航天思卓首次进入前五。TOP5厂商市占率合计为54%，同比2022年大幅下降25%。从集中度的下降可以看出，新玩家正在入局，行业处于快速发展阶段。

　　相较于碱性电解槽，PEM电解槽目前比较小众，主流厂商以外国企业为主，前五核心厂商为Proton On-Site、康明斯、西门子、东芝、山东赛克赛斯，共占据七成左右市场份额，集中度较高。其中大型和中型类的PEM水电解槽占据市场第一和第二细分。

　　2023年国内超40家企业发布电解槽新品，电解槽朝着大标方、高电密、低电耗、轻量化的方向不断迭代。业内人士指出，经过前期的招标以及小规模的建设运营，电解槽出货将进入快速落地期，预计2024年需求将达到3GW，2025年电解槽需求将达到6GW，同比翻倍增长。

　　从电解槽产业链投资角度来看，受成套设备价格持续下降影响，受益环节正在上移。田江南指出，在2020年前最先受益的是电解水制氢设备厂家，电解水制氢设备厂家有较大的盈利空间，但是由于短期内大量厂家涌入，削弱了行业的盈利能力，而电解水制氢设备的供应链如电解水制氢的隔膜、电极、机加工、电镀等，仍有较大的盈利空间。

　　上市公司中，华光环能（600475.SH）2023年内成功下线产氢量1500m³/h的碱性电解槽制氢设备，并完成性能测试鉴定，设备在标准电流密度、1.6MPa压力下的直流电耗为4.2度电每标方氢，处于行业领先水平。同时，公司智能化、绿色化、数字化特种设备新基地的建设方案中同步规划了500MW电解槽及制氢系统的生产线。

　　双良节能（600481.SH）在2023年11月发布了新款JSDJ S1系列碱性水电解槽，该产品样机氢气产量达到1001.23m³/h，直流能耗为4.04kWh/Nm³@3000A/m²，气液分离出口氢气纯度为99.99%，使用寿命可达20年。双良一期年产300套绿电制氢装备已于2023年9月建成投产，投资1.5亿元。二期年产700套绿电制氢装备已经开工，投资3.5亿元，达产后公司总产能将达1000套。

　　亿华通（688339.SH）主要从事氢燃料电池发动机的研发与产业化，2023年，公司通过子公司亿华通氢能科技开始涉足PEM电解水制氢设备生产。近期，亿华通在张家口搭建了碱液-PEM混联制氢的平台，由风电光伏模拟器、混联制氢系统、氢储能系统、电网模拟器四部分组成。该平台是面向即将开建的张北200MW风氢一体化项目的氢储能小试验证平台，通过调度算法让碱液制氢稳定平稳运行，同时PEM制氢适应大部分的波动，锂电池主要起调频作用，高频充放电以维持微电网电频率和相位的稳定。在接受第一财经采访时，亿华通表示，公司电解水制氢设备的技术优势在于利用混连系统平衡电网波动，最大化利用碱性和PEM的特点，实现取长补短。

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