锡创智研 | 绿氢星辰大海，电解槽迎发展机遇
氢能兼具能源与化工原料属性，是连接新旧能源的理想媒介。绿氢在生产过程中无碳排放，在现有能源转型与气候变化背景下，绿氢被认为是未来替代传统高碳能源的关键能源之一。在氢能产业链中，绿氢生产有望率先爆发，带来水电解制氢设备市场需求的快速增长，是绿氢领域确定的投资方向之一。
发展氢能是国家目标
“双碳”目标的最佳选择
氢能是21世纪的“终极能源”。氢能来源广泛，具有能量密度高、清洁安全、灵活高效、应用场景广、储运方式多样等优势，是推动传统化石能源清洁高效利用、支撑可再生能源规模化发展的理想能源载体，被誉为21世纪的“终极能源”，受到各国的普遍重视。
图：全球最终能源消费占比现状及预测
数据来源：国际能源署（IEA）；国际可再生能源署（IRENA）
目前我国主要依赖灰氢，未来绿氢是主要发展方向。中国煤炭工业协会数据显示，2020年我国氢气产量超过2500万吨，其中煤制氢占62%，天然气制氢占19%，工业副产氢占18%，水电解仅占1%左右。虽然中短期内以传统化石原料生产的灰氢仍将占据市场主流地位，但绿氢作为理想的零碳排放可持续能源，有望随着政策的推进和技术的不断突破，逐步获得更大的市场份额，成为未来低碳经济的主流发展方向。
氢能产业链较长，绿氢生产有望率先受益。氢能产业链涵盖氢气生产、储存、运输、加氢、下游应用等，随着国家政策不断加码、绿氢生产技术不断进步，绿氢生产投资有望率先启动。
图：氢气生产方法分类
四种电解器及其部件的分析
水电解制氢具有纯度高、与可再生能源结合紧密等特点，相较于核能制氢、光催化制氢等尚处于实验室阶段的技术路线，被公认为未来最有前景的绿色制氢方式。
水电解制氢最主要的地方是电解槽，电解槽在直流电作用下将水电解成氢气和氧气。根据IRENA统计，以1MW碱性水电解系统为例，电解槽在整个水电解制氢系统中的成本约占45%。电解槽的每个电解室分为阳极室和阴极室，阴极室产氢，阳极室产氧。目前市场对电解槽的主流性能要求是氢气纯度高、能耗低、结构简单、制造和维护方便廉价。
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试点。
图：ALK、PEM、AEM、SOEC水电解制氢技术比较
ALK电解槽：目前为工业化电解水制氢的首选，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。与其他水电解设备相比，ALK电解器的优点是极板不含贵金属、成本相对较低、技术成熟。ALK电解器的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，氢气纯度低于PEM、SOEC等电解器。ALK电解器主体由端压板、密封垫片、极板、电板、隔膜等零件组装而成，包括几十甚至上百个电解室，通过螺钉和端板压合在一起，形成圆柱形或方形。
图：ALK电解槽结构示意图
至于电解液，工业上多采用30%KOH溶液或26%NaOH溶液。
隔膜方面，目前主流ALK电解器隔膜采用的材料为PPS复合隔膜，国内复合隔膜市场主要被东丽、AGFA等厂家垄断，每平米价格在400-900元左右。以1000标准立方电解器所需隔膜1200平米计算，单台电解器的隔膜成本在4.8万元左右。国产替代、降低成本仍将是未来研发的重点。
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，制备工艺较为成熟。未来随着ALK电解槽制氢规模的进一步提升，镍网催化剂有望向比表面积更大、催化位点更多的雷尼镍催化剂方向发展。
极板方面，目前主流极板采用碳钢金属板，制造难度大，易发生短路，占ALK电解槽成本的20-30%。未来寻找低成本、低密度、高性能的极板材料将是ALK降低成本的方向。
图：ALK电解器成本结构
PEM电解器：性能较ALK更为优异，未来制造成本有望进一步降低。
PEM水电解制氢技术是指以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。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，更适合与风光、储能技术结合。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。
图：PEM电解器结构示意图
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。
目前PEM电解槽所采用的质子交换膜多为全氟磺酸质子交换膜，主要依赖进口。随着东岳未来、科润新材等国内质子交换膜龙头厂商产能加速扩张，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各有不同，目前市场上主流的PEM电解槽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。据GGII统计，阴极催化剂Pt负载量一般为0.4-0.6mg/cm2。铂、钛、铱等贵金属成为PEM电解槽扩产的主要瓶颈，减少贵金属使用或开发替代材料是降低PEM电解槽成本的未来发展趋势。
在气体扩散层方面，阳极侧的气体扩散层采用耐腐蚀的钛金属，阴极可采用碳纸、碳布等碳基材料，也可以采用钛金属。由于气体扩散层的成本主要以加工成本为主，规模化生产将带来成本的大幅降低。因此，扩散层的规模化生产工艺是未来的重点发展方向。
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%。目前PEM电解器的主流金属双极板通常为钛基双极板，表面镀Pt、Au等贵金属涂层或进行其他表面处理。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。
图：PEM电解器成本结构
AEM电解器：融合了ALK的成本优势与PEM的性能优势，目前处于实验室阶段。
AEM水电解技术是指采用成本相对低廉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。
AEM发展的主要瓶颈有：设备寿命：运行过程中，由于阴离子交换膜表面形成局部强碱性环境，AEM在OH−作用下会发生降解，从而引起电堆短路，影响其使用寿命。产品规模化：目前我国单槽AEM电解槽产品还在0.5-5Nm³/h之间，难以满足我国西北、西南地区大型可再生能源水电解制氢综合示范项目的采购标准。
产业化方面，温氏氢能是目前全球唯一一家将AEM水电解制氢设备从膜到催化剂到膜电极，再到控制系统、系统集成等实现产学研一体化的企业。中电绿波、亿维氢能、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。
SOEC电解器：产氢效率高，成本低，未来有望往氢能储能方向发展。
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。
目前SOEC发展的瓶颈主要在于：提高关键材料性能：在高温工况下保持良好的热稳定性和化学稳定性，同时保证材料易于加工、控制成本。建立完整的供应链：目前SOEC原材料体系均为生产厂家单独设计、生产，各个SOEC产品的配套结构、配套原材料均有差异，不利于SOEC的整体发展。BOP国内供应：目前国内尚未形成成熟的BOP供应链，产品还处于定制阶段，导致BOP成本较高。
图：SOC水电解系统
氢气消费潜力超1亿吨
万亿美元电解器市场启动
氢气消费主要集中在化工、钢铁、能源储运四大领域。从短期、中期及理论极限值分析来看，短期内已规划的绿色氢能项目可带动数百万吨氢气需求及数百亿元市场空间。随着绿色氢能全面渗透，潜在消费空间高达亿吨，将催生氢气及相应设备万亿级市场规模，远期天花板较高。
计算说明：
（1）短期：以目前已落地或获批的绿氢相关项目作为测算指导，对于一些尚无明确规划的项目，则估算绿氢渗透率，预计看2-3年后；
（2）中期：基于绿氢渗透率30%的假设，预测时间为2030年；
（3）理论极限：基于绿氢全面渗透的假设计算。
表：绿氢理论消耗量及电解槽装机容量计算