概括
不同的电解水制氢技术路线并不是非此即彼的关系，而是相互竞争，并且各自有各自的适用场景。 目前，业界也在探索耦合碱性与质子交换膜各自的优势，共同匹配绿电制氢。 。 上游制氢产业的核心是制备足够便宜的绿色氢气，让下游用户用得起氢，从而实现大规模产业化和消费级氢需求，减少二氧化碳排放。
从技术指标入手，了解水电解制氢的不同技术路线。 针对目前主流的碱性电解（ALK）和质子交换膜电解（PEM），选取了两套技术指标：电流密度/单位功耗和负载范围/响应率： ①电流密度/单位功耗：电流密度决定设备成本、单位耗电量决定能耗成本。 电流密度越高，电解槽的功率密度越大，单位功率电解槽所用材料越少，设备成本越低； 单位电耗越小，每产生1Nm3氢气的电耗就越少，能源成本就越低。 提高电流密度、降低单位电耗的核心是降低电解槽内阻。 ②负载范围/响应速度：负载范围越宽，响应速度越快→景物与光耦合的匹配性越好。 碱性电解槽负荷调节范围仅为20%-100%，快速启动、停止和改变负荷困难； PEM电解槽的负载调节范围达到0%-120%，可实现快速启动、停止和响应。 目前业界也在探索两者耦合的解决方案，共同匹配绿电与制氢。
成本是决定碱性/PEM 电解槽渗透率的关键因素。 国内出货量以碱性为主，海外出货量略高于PEM。 核心在于，国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，而国外PEM仅为碱性的1.2-1.5倍。 PEM的综合性价比优势在海外更为明显。 未来碱性电解槽将主要着眼于降低电耗和能源成本，提高综合性价比； PEM电解槽将主要以提高电流密度和减少贵金属铱负载为主，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会更陡。
预计到2030年，国内氢气需求量将达到4500万吨。 按照电解水制氢占比15%和年工作时间3000小时计算，对应电解槽累计装机容量将达到125GW。 到2030年，电解槽市场空间将突破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将不断演变。 在系统端，隆基、三一等风电、太阳能企业竞争异常激烈，材料端也将涌现一批新的初创企业。
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
1 从技术指标了解不同水电解制氢技术
不同的电解水制氢技术路线并不是非此即彼的关系，而是相互竞争，并且各自有各自的适用场景。 目前，业界也在探索耦合碱性与质子交换膜各自的优势，共同匹配绿电制氢。 。 上游制氢产业的核心是制备足够便宜的绿色氢气，让下游用户用得起氢，从而实现大规模产业化和消费级氢需求，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），选取两套技术指标：电流密度/单位功耗、负载范围/响应率，更好地了解不同电解水氢之间的差异生产技术路线。
1.1. 电流密度越高，单位功耗越低→设备及能源消耗成本小。 电流密度决定设备成本，单位功耗决定能耗成本。 电流密度越高，电解槽的功率密度越大，单位功率电解槽所用材料越少，设备成本越低； 单位电耗越小，每产生1Nm3氢气的电耗就越少，能源成本就越低。 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4.8-5.5kwh/Nm3耗电量为4.4-5kwh/Nm3。 ①提高电流密度，降低设备成本。 电流密度是单位面积的电流强度，代表单位面积的产氢率。 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。 对于给定电压，内阻越小，电流密度越大。 因此，提高电流密度的核心是降低内阻。 ②降低单位电耗，降低能源消耗成本。 标准温压（压力、温度）下，电解水理论电压1.23V（热平衡电解电压1.48V），产生1Nm3氢气所需理论功率为2390A*h，产生1Nm3氢气理论能耗氢气为1.23V*2390A*h=2.94kwh。 工业生产中，由于内阻引起的过电位影响，实际电解水电压通常为1.8-2.4V，因此产生1Nm3氢气实际能耗接近5kwh。 因此，降低单位能耗的核心是降低内阻、降低电解电压。
由电解槽内部电阻引起的过电势损失包括欧姆损失、阳极过电势、阴极过电势和传质损失。
①欧姆损耗（电解质）：由电解质决定。 电解液的内阻越大，欧姆损耗越大。 碱性电解槽的电解液为30%KOH溶液+PPS布。 PEM电解池的电解质是全氟磺酸树脂膜。 PPS布的厚度为500μm至600μm。 全氟磺酸树脂膜的厚度为100μm～175μm。 碱性电解槽的隔膜较厚； 同时，碱性电解槽的电极间距离比PEM电解槽大很多，欧姆损耗更大。
②阳极/阴极过电势（催化剂）：由催化剂及其结构决定。 碱性电解槽常用雷尼镍等镍基催化剂，PEM电解槽阳极常用IrO2，阴极常用Pt/C催化剂。 Ni的过电位比Ir和Pt大，碱性阳极/阴极过电位损失更大。
③传质损失（多孔传输层/镍网）：由多孔传输层/镍网决定，电解槽在产生气体的过程中会产生气泡。 当气泡被阻挡在多孔传输层/镍网中，或者气泡在电极表面脱落不顺畅时会发生传质损失，需要能量才能让气泡从多孔传输层/镍网逸出啮合速度更快，从而产生过电势。 碱性电解槽的阴极和阳极镍网均处于30%KOH溶液中，而质子交换膜电解槽中只有阳极的钛基多孔传输层处于纯水中，仅在气液接触处才会产生气泡界面。 因此，碱性电解槽的阴极和阳极均存在传质损失，而质子交换膜电解槽的传质损失主要来自阳极； 与碱性电解槽相比，PEM电解槽的总传质损失更小。
1.2负载范围越宽，响应速度越快→风光互补越好。 以风能、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，日发电量波动较大，极端情况下可在0-100%范围内变化。 因此，与风能、太阳能等可再生能源耦合的电解水制氢系统需要较宽的功率运行范围和快速的启停响应速度。
碱性电解槽的负荷调节范围为20%-100%，快速启动、停止和改变负荷较困难（热启动：1min-5min；冷启动：1h-5h）。 碱性电解槽采用物理隔膜，需要时刻保证电解槽两侧的压力平衡，以防止氢气和氧气通过多孔隔膜而引起爆炸。
①负荷范围20%-100%：碱性电解槽长时间在低功率范围运行时，氢气和氧气通过电解槽内部隔膜扩散、对流，造成气体穿越，存在安全隐患。
②启动和停止时间长：冷启动时，碱性电解槽电流密度低，电解槽升温慢，导致冷启动时间长； 当碱性隔膜没有达到合适的工作温度时，氢气和氧气的混合比例很容易不平衡。 有爆炸危险。
PEM电解槽负荷调节范围达到0%-120%，可实现快速启动、停止和快速响应（热启动：小于5s；冷启动：5min-10min）。 PEM电解槽采用化学膜，可以有效阻挡氢气和氧气的交叉渗透。
①负荷范围0%-120%：负荷范围宽，能有效匹配可再生能源的间歇性、周期性特征。
②启动和停止时间短：PEM电解槽以固体为基础，导热速度更快，无需在启动前进行长时间的温度调节。
2 成本决定碱性和PEM的渗透率
根据《中国氢能与燃料电池行业年度蓝皮书（2022）》，2022年国内电解槽出货量800MW，其中碱性电解槽776MW，占比97%； PEM出货量为23MW，仅占比3%。 相比之下，据彭博新能源财经统计，2022年EMEA（欧洲、中东、非洲）地区碱性装机容量将达到177MW，占比62%； PEM装机容量为104MW，占比37%； SOEC装机容量为2MW，占比1%。 国内出货量以碱性为主，海外出货量略高于PEM。 关键是国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，而国外PEM仅为碱性的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：降低功耗，提高整体性价比。 碱性电解水制氢系统由碱性电解槽+辅助系统（供电系统、气液分离系统、净化系统等）组成。 以1000标准立方米（5MW）碱性电解水制氢系统为例，价格1000万元，成本7-800万元，其中碱性电解槽占60%，供电系统/燃气-液体分离系统/净化系统各占10%。
碱性制氢系统每标准立方米氢气需电量5kWh，电价0.3元/kWh，年工作时间3000h。 碱性电解水制氢成本为20元/公斤，其中电耗成本占82%，设备成本仅占18%。 因此，未来降低碱性电解水制氢成本，核心是降低单位电耗→降低能耗成本，其次是提高电流密度→降低设备成本并保持设备性能的稳定性。 目前国内厂家主要通过改进隔板、添加贵金属催化剂、优化电解槽结构等方式降低单位电耗、提高电流密度。
2.1.1. 隔板：pps布→复合隔板，提高亲水性，减少厚度。 国内碱性电解槽一般采用聚苯硫醚（PPS）织物基隔膜。 价格低，但厚度大且亲水性弱→功耗高，气体阻隔性差，使氢气和氧气容易互相通道，导致安全性低。 为了降低能耗，目前主要在PPS织物表面涂覆功能性涂层，形成类似三明治结构的复合隔板，以提高亲水性并减少厚度。
碱性电解槽常用的PPS布厚度在700微米以上。 使用复合隔膜可以将隔膜的厚度降低至500微米，实现更高的电流密度和更低的能耗。 同时，复合隔膜的表面涂覆浆料中含有二氧化锆和聚合物，可以提高隔膜的亲水性，提高隔膜与电解液的相容性，降低电解槽内阻，增大电流密度，并降低功耗。
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为镍基（如纯镍网、泡沫镍等）喷涂高活性催化剂。 目前常用的涂层催化剂是雷尼镍，是通过将具有催化活性的金属镍和铝在熔炉中熔融，将所得熔体淬火冷却，然后粉碎成均匀的细颗粒而制成的。 目前，国内多家电极企业和科研机构明确表示，低负载量贵金属催化剂可以有效降低电位、降低电耗、提高单位面积催化活性、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（供电系统、气液分离系统、净化系统等）组成。 以国外一套1000米（5MW）PEM水电解制氢系统为例，价格为4400万元，成本为30-4000万元，其中PEM电解槽占60%：辅助系统中，供电系统占50%。 ，气液分离系统+净化系统占25%。
PEM制氢系统生产1标准立方米氢气需要4.5kWh，电价0.3元/kWh，年工作时间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48%。 与碱性相比，PEM的设备成本还是比较高的。 因此，未来铁芯将通过提高电流密度、减少贵金属铱的负载量来降低设备折旧成本。
2.2.1. 提高电流密度与降低设备材料成本等比例。 目前国内厂家电流密度为1-1.2A/cm2，国外成熟厂家电流密度为2A/cm2； 根据美国能源部的目标，到2030年电流密度可提高到2.5-3A/cm2。 参考国外成熟PEM厂家的材料成本和使用情况，根据我们的计算，电流密度从1A/cm2增加到2A/cm2→成本降低50%，当增加到3A/cm2→成本降低67%。
2.2.2. 减少贵金属催化剂的铱负载量。 目前国内贵金属催化剂铱负载量为2-4mg/cm2，国外成熟厂家贵金属催化剂铱负载量为1.2mg/cm2； 根据美国能源部的目标，到2030年铱负载量为0.3 mg/cm2。 目前铱年产量7-9吨（铱为铂伴生矿，高度集中在南非。铂年产量约200吨，铱/铂伴生比为1/ 25）。 按照电解电压1.9V、电流密度2A/cm2计算，铱负载量1.2mg/cm2可满足质子交换膜电解槽年产能28GW，铱负载量0.3mg/cm2可满足PEM电解槽年产能PEM出货量为115GW。
2.2.3. 国产化+规模化：除了提高电流密度、减少贵金属铱的负荷外，质子交换膜、钛毡、钛板、防喷器辅助系统均实现国产化。 优化和规模化也是 PEM 电解槽系统成本降低的重要驱动力。 ①质子交换膜：目前多采用美国杜邦和115系列全氟磺酸硫型膜。 国内东岳氢能等也有成熟稳定的产品。 ②多孔传输层：阳极多采用钛毡，阴极多采用碳毡。 钛毡的领先公司是比利时贝卡尔特公司。 国内涉及钛毡的企业有浙江毡、动量守恒等。 ③双极板：目前采用蚀刻钛板，钛板采用贵金属铂镀层； 上海智臻正在开发用于电解槽的冲压双极板，并减少贵金属涂层的厚度。
2 竞争格局持续演变，共享千亿制氢市场
根据我们的测算，预计到2030年，国内氢气需求量将达到4500万吨。 如果电解水制氢比例达到15%，对应的电解槽累计装机容量将达到125GW。 2030年国内电解槽出货量为54GW，其中碱性电解槽36GW，PEM电解槽17GW，对应市场空间超千亿元。
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将不断演变。 在系统端，隆基、三一等风电、太阳能企业竞争异常激烈，材料端也将涌现一批新的初创企业。 目前国内电解槽企业大致可分为五类：
①老厂家如CSSC 718（佩里氢能）、 、 、Sykes等，技术积累较长，经验丰富。
②国有企业、国家电投、中石化、上海电气、东方电气等大型国有企业制定氢能战略路线图，布局氢能全产业链；
③ 上市公司，特别是光伏、风电龙头企业，如隆基氢能、阳光氢能、三一氢能等，竞争极为激烈； 华电重工、华光环能源等也立足自身资源禀赋进入制氢领域。
④对于燃料电池企业来说，PEM电解槽和PEM燃料电池电堆在结构和材料体系上有一定的相似性。 亿华通、上海智臻等燃料电池企业也逐步从下游向上游渗透。
⑤ 对于初创企业来说，一级市场将成为氢能行业创新的沃土。 未来，制氢行业尤其是核心材料端将涌现一大批具有CEO+技术骨干特征的初创企业，成长为行业新星。
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