水电解制氢设备：水电解制氢供需双扩背景下，电解槽将迎来机遇？

（报告出品/分析师：华宝证券张锦、张厚来）

1、我国绿色氢能供需规划不断扩大，水电解制氢设备有望迎来产业规模提升

我国氢气产量不断扩大，受政策需求拉动，2022年水电解制氢设备需求将继续增加。据中国煤炭工业协会数据，2022年我国氢气产量约4000万吨，同比增长21%。

从制氢结构来看，可再生能源电解水生产绿色氢气规模还较小，煤基和天然气基制氢合计占比约80%。

但2022年在政策的推动下，水电解制氢设备需求快速增长，中国华电、国富氢能、澳阳科技、瑞霖科技、西北优、中国宝武等多家公司发布新型水电解制氢设备，其中ALK电解器因产业链完整、成本低廉成为2022年投放的电解器产品主力类型，但长期来看，随着设备制造成本的下降和制氢规模的扩大，PEM设备有望开启替代进程。

1.1. 未来2-3年政府和企业对绿氢需求预计将大幅增长

随着中国碳排放要求愈发严格，工业领域对绿色氢能的需求将不断增加。

近年来，我国通过建立碳市场和碳交易，实现了企业碳排放的合规化和经济效益。碳排放配额（CEA）的收紧将导致企业碳排放成本的上升。在炼油、制氨、炼钢等对碳排放要求较高的工业领域，氢气不仅可以作为能源，还可以作为燃料进行大规模应用。

据艾瑞咨询预测，2060年我国工业领域氢气用量预计为7.8亿吨，相当于减少煤炭消耗53.07亿吨，从而减少碳排放约141.1亿吨。电解水设备制氢过程中不产生碳排放，更符合作为工业氢源的CEA交易价格上涨的趋势。

各地绿氢生产政策不断出台，扩大绿氢生产规模、突破水电解制氢设备关键技术成为政策重点。

据地方政府官网政策不完全统计，截至2023年11月，我国共有32项政策直接提到绿色氢气生产、电解槽设备建设等相关环节。

例如《青海省氢能产业发展中长期规划（2022—2035年）》提到，要探索与可再生能源耦合的水电解制氢技术，构建以经济安全的碱性水电解制氢为基础，PEM制氢技术为补充，以SOEC、AEM等前沿高效制氢技术为示范的制氢技术体系；发展适应可再生能源的大型高效PEM电解槽、PEM水电解制氢系统、水电解制氢柔性控制技术，攻关兆瓦级PEM水电解制氢系统、制氢运行控制与调度应用技术。

《关于促进能源电子产业发展的指导意见》也提到，要加快高效制氢技术研发，突破燃料电池、双极板、质子交换膜、催化剂、膜电极材料等关键环节关键技术。相比2022年的政策规划，2023年的绿氢政策更进一步，落实到产业链各个环节，直指水电解制氢设备关键技术。

1.2. 随着绿氢项目增多及单罐制氢能力提升，未来电解槽生产规模有望进一步扩大

我国水电解制氢项目多地开花，未来水电解制氢投产有望加速。据中国计划项目网、中国采购与招标网、北极星氢能网、氢能焦点及地方政府网站不完全统计，截至2023年10月，全国共新签约水电解制氢项目41个、开工项目41个、投产项目8个，制氢规模分别约为120.12万吨、66.98万吨、3.5万吨。由于水电解制氢项目从备案到投产建设周期约为1-3年，预计2025年后我国水电解制氢供给将大幅提升。

投资规模的扩大、产品规格的升级、产品价格的下行趋势有望成为未来电解槽行业的发展趋势。

纵观2023年签署的绿氢项目，氢气产能在1万至9万吨之间的项目占56%，氢气产能在10万吨以上的项目占11%。

其中两个项目年产氢气能力达30万吨，分别是内蒙古扎鲁特旗远景通辽风光氢氨醇一体化项目、包头国际氢能冶金示范区新能源氢气联产无碳燃料项目。规格方面，据隆基氢能测算，相比两台3/h电解槽，一台3/h电解槽可节省30%占地面积，减轻20%重量，降低CAPEX约20%。

未来随着电解槽技术的不断提升，主流电解槽产品将从³/h规格升级为³/h规格，水电解制氢技术将从ALK向PEM/AEM/SOEC演进，单槽建设成本有望下降，制氢效率有望提升，从而带动产品价格下降。

2. 四种电解槽及其零部件分析

水电解制氢最主要的地方是电解器，电解器在直流电作用下将水电解成氢气和氧气。根据IRENA统计，以1MW ALK水电解系统为例，电解器的成本约占整个水电解制氢系统的45%左右。

电解槽的每个电解室分为阳极室和阴极室，阴极室产生氢气，阳极室产生氧气。

目前市场对电解器的主流性能要求是氢气纯度高、能耗低、结构简单、制造维护方便廉价、使用寿命长、材料利用率高。电解器的主要部件和材料包括电极、隔膜、电解液，其中电极主要由金属材料制成，约占电解器成本的57%。

主流的水电解制氢技术包括碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、高温固体氧化物电解（SOEC）和固体聚合物阴离子交换膜电解（AEM）。

在我国，ALK水电解技术已实现商业化，整体产业链较为成熟。PEM技术目前处于商业化初期，受益于地方政策规划，未来行业规模及产业链本土化趋势有望进一步加强。SOEC及AEM技术目前多处于研发、示范阶段，仅有少量产品进行商业化中试。

2.1 ALK电解槽：目前是水电解制氢工业化的首选，未来成本还有降低空间

ALK水电解制氢技术是指在碱性电解质环境下，通过电解水来生产氢气的技术。

ALK电解器相较于其他水电解设备，优点是电极板不含贵金属，成本相对较低且技术成熟；缺点是要求电力稳定可靠，不适用于风电、太阳能等间歇性电力，氢气纯度也低于PEM、SOEC等电解器。

ALK电解槽主体由端压板、密封垫片、电极板、电板、隔膜等部件组装而成，包括几十甚至上百个电解室。这些电解室通过螺钉和端板压合在一起，形成圆柱形或方形。每个电解室由两个相邻的电极板分隔，包括正负极板、阳极电极、隔膜、密封垫片、阴极电极六个部分。

ALK电解质材料中，工业上多采用质量分数为30%的KOH溶液或质量分数为26%的NaOH溶液。

PPS复合隔膜是主流ALK电解器隔膜所用材料，但国产替代、降低成本仍是未来研发的重点。

在隔膜材料选择方面，最早的ALK设备采用的是石棉隔膜，但由于石棉隔膜有毒性，其使用受到了限制。目前国内主流的隔膜是以聚苯硫醚（PPS）为基料的新型复合隔膜，具有尺寸稳定性好、抗蠕变、耐热等优点，复合隔膜改善了PPS织物亲水性弱的问题。

但目前国内复合隔膜市场主要被东丽、AGFA等厂商占据，每平米价格在400-900元左右。以1000标准立方电解槽需1200平米隔膜计算，单台电解槽隔膜成本在4.8万元左右。此外，聚四氟乙烯树脂改性石棉隔膜、聚砜隔膜（PSF）也有望成为新的隔膜材料选择。

在催化剂选择方面，目前国内ALK电解设备厂家主要采用镍基催化剂，包括纯镍网、泡沫镍，或者纯镍网、泡沫镍为基材喷涂高活性催化剂。目前镍基催化剂的制备工艺较为成熟，镍网宽度可以满足大型碱性水电解制氢设备的应用，网目数和厚度可以很好的控制。未来随着ALK电解槽制氢规模的进一步提高，镍网催化剂有望向表面积更大、催化位点更多的雷尼镍催化剂方向发展。

电极板的成本降低和轻量化也是ALK电解器未来成本降低的发展方向。电极板是ALK电解器的支撑部件，起到支撑电极、隔膜及传导电流的作用，也是整个电解器中重复性最高的部件。在ALK电解器中，电极板成本占20%-30%，由主电极板和电极框架组成。主电极板表面布满凹凸结构，与隔膜两侧电极多点接触，降低内阻。目前市场按主电极板凹凸结构分为乳突型极板和板网型极板。

目前主流极板采用碳钢金属板，制造难度大，易发生短路，部分企业开发了非金属杆架，但尚未大规模应用。

因此未来寻找低成本、低密度、高性能的材料制作极板是ALK电解槽降低生产成本的另一重要举措。

ALK水电解设备与其他电解设备相比，操作简便，成本投资低，使用寿命长，是工业应用水电解设备的首选。

据中国电动汽车百人论坛《中国氢能产业发展报告2020》预测，中短期内，ALK电解设备仍将是水电解设备市场的首选，占比约60~95%，且未来随着水电解制氢技术更加成熟，ALK制氢设备价格有望下降到0.6~1元/瓦。

2.2. PEM电解器：性能优于ALK，未来制造成本有望进一步降低

PEM水电解制氢技术是指采用质子交换膜作为固体电解质，以纯水为原料进行水电解制氢的水电解制氢技术。

具体来说，PEM水电解制氢分为四个步骤：①水（2H2O）在正极发生水解反应，在电场和催化剂的作用下，分裂为质子（4H+）、电子（4e-）和气态氧（O2）；②4H+在电场作用下穿过含有磺酸基功能团的固态PEM，到达负极；③4e-电子通过外电路由正极转移到负极；④到达负极的4H+得到4e-，生成2H2。PEM水电解制氢设备由PEM电解槽和辅助系统BOP组成。

与ALK电解槽相比，PEM电解槽具有电流密度高、氢气纯度高、响应速度快等优势，更适合与风电、光伏、储能等技术结合。但由于PEM电解槽需要在强酸、强氧化的工作环境中运行，PEM电解槽对铱、铂、钛等贵金属材料的依赖性较大，导致目前PEM电解槽设备成本较高。

PEM水电解器的主要部件由内向外依次为质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板。扩散层、催化剂层、质子交换膜组成膜电极（MEA），是整个水电解器中物质输送和电化学反应的主要场所。膜电极的特性和结构直接影响PEM电解器的性能和寿命。

在PEM电解器工作过程中，质子交换膜提供了只允许水分子和水合氢离子通过的传输通道，将质子从电解器的阳极输送到电解器的阴极，在电解器内部形成离子传输通路。

质子交换膜在PEM电解器中起到以下三种作用：

（1）作为固体电解质，它将阳极反应产生的质子传导至阴极参与阴极HER反应，为质子的转移提供通道；（2）隔离阴极和阳极侧的反应产物（氢气和氧气），防止氢气和氧气的相互渗透；（3）为阴极和阳极侧的催化剂层提供物理支撑。

目前PEM电解槽中的质子交换膜根据含氟量的多少可分为全氟化质子交换膜、部分氟化质子交换膜和非氟化质子交换膜，目前PEM电解槽中使用的质子交换膜多为全氟磺酸质子交换膜。

随着国产替代进程的加快，未来我国质子交换膜成本将进一步下降。随着东岳未来、科润新材等国内质子交换膜龙头厂商产能扩张的加快，我国质子交换膜进口依存度将进一步下降。根据IEA预测，未来质子交换膜价格有望进一步下降至500元/平方米。成本下降、产量可控将进一步提升我国PEM电解槽产能。

PEM水电解制氢设备的双极催化剂有所不同。

市场上主流的PEM电解器催化剂一般为阳极采用二氧化铱、铱黑等铱基催化剂，阴极采用铂碳催化剂。虽然二氧化钌（RuO2）和二氧化铱（IrO2）对析氧电化学反应具有良好的催化活性，但IrO2的稳定性更好。目前，IrO2是PEM电解设备阳极催化剂的主要材料。

铂碳催化剂（Pt/C）是将铂负载于活性炭上的载体催化剂，属于贵金属催化剂的一个子类别。根据GGII统计，PEM阴极催化剂的Pt负载量一般为0.4-0.6mg/cm2。

气体扩散层起着传输水、氢气、氧气、催化剂等物质和提供机械支撑的作用。一般阳极侧的气体扩散层采用耐腐蚀的钛金属制成，如粉末烧结钛片、纤维烧结钛毡、钛网等。其表面可进行贵金属涂层处理，以降低接触电阻。

据GGII统计，目前市场上镀铂钛纤维毡成本在5000~15000元/平方米，阴极可采用碳纸、碳布等碳基材料，也可采用钛材。未来随着PEM电解槽制氢规模的进一步扩大，气体扩散层的规模化生产能力、批量供应能力和降低成本能力将成为挑战。

据美国公司预测，2020年全球气体扩散层市场规模达到3.84亿美元，预计2025年将达到16.83亿美元，年复合增长率（CAGR）为30.47%。

目前，全球气体扩散层碳纸技术仍掌握在日本东丽、德国SGL、加拿大、美国等少数国外企业手中，而以通用氢能为代表的我国本土气体扩散层企业正在加速推进这一环节的国产化。

由于气体扩散层的成本主要受加工成本主导，规模化生产将带来成本的大幅降低，因此扩散层规模化生产技术是未来重点发展方向。

金属双极板是PEM电解器的重要组成部分，约占电解器价格的50%。金属双极板具有较高的强度、较好的成形性、抗冲击性和较低的渗透性，在PEM电解器中得到广泛的应用。目前主流的PEM电解器的金属双极板通常为钛基双极板，表面镀有Pt或Au等贵金属涂层或其他表面处理。由于双极板在PEM电解器中大量重复使用，因此贵金属涂层的价格对PEM电解器的成本影响较大。

铂、钛、铱等贵金属已成为PEM电解槽扩产的主要瓶颈，减少贵金属使用量或开发替代材料是PEM电解槽降低成本的未来发展趋势。水电解制氢成本主要取决于电费、电解槽投资成本和运行负荷，其中电费对水电解制氢的敏感度最高，占比60%~70%。

随着度电成本的下降，设备投资成本占比逐渐上升。作为整个系统的核心，电解槽成本占系统成本的45%。其中双极板占电堆成本的50%以上，膜电极成本约占1/4，其中贵金属约占系统成本的10%。未来PEM电解槽扩产的瓶颈可能不仅取决于贵金属的高成本，还取决于其供应可用性。因此，需要尽量减少贵金属的使用或开发替代材料。

然而，通过提高设备利用率，PEM电解器的生产可以实现规模经济，从而实现更快、更高的工艺产量和更低的生产成本。

根据徐斌等在《质子交换膜水电解技术关键材料研究进展与展望》中的测算，当工厂制造规模由10MW/a扩大到1GW/a时，电解槽成本有望下降70%。因此，从现有技术来看，目前的PEM设备制造商可以通过关键材料性能、电解槽部件制造工艺等方面的技术创新，提升PEM电解槽的性能，从而降低PEM制氢的设备成本。

2.3. AEM电解器：结合ALK的成本优势和PEM的性能优势，目前处于实验室阶段

AEM电解器融合了ALK和PEM电解器的优点，目前处于实验室研发阶段。AEM水电解技术是指采用相对低成本的阴离子交换膜作为隔膜，以低浓度碱性溶液或纯水作为电解液，以非贵金属催化剂作为反应催化剂的制氢技术。

AEM电解槽的核心包括阴极材料、阳极材料和阴离子交换膜。与ALK和PEM技术相比，AEM技术结合了两者的优点，但目前阴离子交换膜无法兼顾工作效率和设备寿命，AEM电解槽还处于实验室研发阶段。

具有高离子电导率和耐强碱性的阴离子交换膜是AEM电解设备研制的关键。AEM交换膜是典型的有机阳离子聚合物，能将氢氧离子从阴极转移到阳极，并作为电化学反应产生的电子和气体的屏障，阻断二者在电极之间的直接转移。但阴离子交换膜存在在强碱性环境下难以同时实现离子电导率和稳定性（包括耐碱性和力学性能）的问题。在运行过程中，膜表面形成的局部强碱性环境使AEM在OH-的侵蚀下发生降解，由此产生的膜穿孔会造成电池短路，使AEM制氢装置无法长时间运行。

随着政府专项项目及相关企业研发计划的推进，我国AEM电解槽商业化进程有望加速。

宏观层面，2020年我国启动重点研发计划“碱性离子交换膜制备技术及应用”，对高性能碱性聚电解质膜及连续制备工艺、酸碱双极膜及水电解制氢等开展系统研究。2022年科技部“催化科学”重点专项申请指南在“可再生能源转化与储存催化科学”子项下设立了“阴离子交换膜水电解制氢研究”专项。

产品方面，温氏氢能是目前全球唯一一家集AEM水电解制氢设备产学研为一体的企业，从膜到催化剂到膜电极，再到控制系统、系统集成。中电绿波、亿纬氢能、未来氢能等公司也推出了相应的AEM制氢产品。随着AEM制氢低成本、高效率的优势随着关键技术的突破逐渐显现，AEM制氢设备未来有望迎来大规模商业化应用。

2.4 SOEC电解槽：产氢效率高，成本较高，未来有望向氢能储能方向发展

SOEC制氢技术是指在高温下电解H2O，将电能和热能转化为化学能的过程。与其他电解器相比，SOEC电解器的优势在于功耗低，适用于产生高温高压蒸汽的太阳能热发电系统。另外，由于SOEC电解器对热能的需求较大，因此SOEC适用于热能资源丰富或废热较多的地区，如钢铁冶炼厂、化学合成厂或核电站。

SOEC电解器生产氢气效率高，且原料不含贵金属。

SOEC电解槽的工作温度为800-1000摄氏度，因此制氢过程中的能源利用效率可超过90%，高于ALK、PEM和AEM技术。

SOEC电解质最常用的材料是氧化钇稳定化氧化锆（YSZ）及其化合物，尤其是8mol％氧化钇掺杂致密氧化锆基陶瓷材料，因为氧化钇稳定化氧化锆电解质在较高温度（700-850℃）下仍具有稳定优异的性能。

此外，YSZ电解质具有较高的离子电导率（0.01~0.1 s/cm）和良好的化学稳定性及热稳定性。SOEC所采用的正极材料为YSZ与镍组成的陶瓷金属（Ni-YSZ），负极材料为钙钛矿材料，即镧锶钴铁粉（LSCF）和镧锶锰粉（LSM）。

但SOEC电解槽的材料成本仍然较高。

to the from Sofo, based on the cost of in the cell in R's "-up cost of SOEC in the range of 10-100 MW", with the FoB cost for 70% of the total raw cost and the scrap rate of 15%, it is that the raw cost of the unit of the YSZ is about 42.24 yuan, which is to a cost of 277.94 yuan/kW.

此外，SOEC电解酶的密封需要使用玻璃密封剂和银糊，根据固体氧化物电池的统计，大约是RMB 243.13/kW。

在结合了固定的投资和施工成本之后，SOEC电解系统的当前综合成本高于ALK和PEM，而SOEC电解液器将氢生产的大规模应用受到成本的极大限制。

根据国际能源局（IEA）的统计数据，2022年对ALK电解系统的固定投资将在3,500至9,800元/千克之间，PEM电解系统将在7,700至12,600元/kW之间，SOEC电解系统将在19,600和39,200 Yuan/kw之间。

如果对ALK电解系统，PEM电解系统和SOEC电解系统进行固定投资的较低值，则将分别为3,500元/千克，7,700元/千瓦和19,600元/kW。

基于此计算，生产1NM3的氢所需的固定投资分别为167.4.6亿元，分别为284.271亿元和76.756亿元人民币。

由于SOEC和SOFC的可逆性，预计SOEC电解器的应用方案将来会扩展到氢能的储能。

SOFC是一种发电设备，以有效的，低碳和环保的方式直接将燃料的化学能量转换为中等和高温的电能。

SOEC和SOFC/RESOC技术的组合将SOEC的应用程序从氢生产扩展到氢能，例如日本经济，贸易和行业等研究机构的结果，氢存储时间约为4天或更多，大约是4天或更长时间。

目前，家庭可逆的SOEC/SOFC系统仍处于商业化的初始阶段，并且需要改善主要制造商（例如质子功率）相关产品的成熟度和质量生产能力。

3.审查我国与电解仪相关的公司

我国家的电解室生产相关公司主要集中在完整的电解器的生产中，并根据氢能交换，北极星氢能网络，氢云链和其他机构的不完整统计数据生产PEM和ALK ，目前有100家公司在该国家 /地区的生产中有100个公司。

在产品类型方面，有许多公司从事完整的电解细胞，膜电极，催化剂，双极板和其他产品的生产，而由于生产成本和技术等因素，生产隔膜，气体交换层和其他链接的公司较少。

从地理分布的角度来看，超过50％的公司集中在我的国家和中国，而在中国西北部和中国，尽管有许多风，太阳能，氢气和储存计划项目，但本地公司的竞争力是相对较弱的，但从融资的角度来看，不同的公司在不同的阶段中，均以大量的范围列出了一群人，并列出了一个综合季节。

3.1。

我国家的ALK电解剂产业的技术相对成熟。

根据氢云链的统计数据，就2023年上半年的电解剂订单的数量而言，该行业的前三家公司，氢能，阳光，阳光供应和龙氢能的市场份额为64％，这是与年度能源的72％市场份额相比，这是一个较低的市场份额。碱性设备在今年上半年的系统交易价格约为RMB 749-2000/kW，主要分布在RMB 1350-1500/kW的范围内，与2022年相比，价格下降了约15％-20％，这表明Alk 行业的竞争逐渐增强。

从企业的性质的角度来看，国有企业在电解设备中占据了地位，并具有更强的能力，可以通过其在风能和太阳能项目中的资源优势来获得订单，例如Sunac China和Longi等工业连锁店资源和市场能力。