中国科学院院士欧阳明高：制氢电解槽或成中国第四个大宗出口新能源产品

近日，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高在 氢能产业科技创新发展 论坛上表示，制氢电解槽或成中国第四个大宗出口新能源产品。

近年来，氢燃料电池系统成本在持续下降。目前，国内氢燃料电池系统成本大概为 2000元/千瓦。预计到2025年，氢燃料电池系统成本将从2018年的2万元/千瓦降至1000元/千瓦，到2030年将降至500元/千瓦。这时，氢燃料电池汽车成本将具有与内燃机汽车同等的竞争力。

公开数据显示，截至 2023年底，我国燃料电池汽车累计推广2.1万辆，示范运行覆盖了城市、物流、运输、工程、港口、园区等多元化场景，成为仅次于韩国的全球第二大燃料电池汽车市场。“除汽车外，氢燃料电池应用场景正在扩大，包括风光电储、热电联供、储能车、航空航天等。”欧阳明高称。

据悉，欧阳明高院士指出，制氢电解槽是继电池、光伏、电动汽车之后，中国有可能第四个大宗出口的新能源产品。

同时，欧阳明高院士建议，要以绿氢制备和燃料电池为龙头带动氢能全产业链商业化。不过，欧阳明高院士也指出，氢能商业价值亟待开发，核心是性价比，源头是绿氢的成本。

制氢电解槽竞争格局分析

全球市场：电解水制氢步入快速成长期，电解槽装机和扩产提速

电解槽装机步入高速成长期。电解槽是用于电解水制氢的主要设备。经历了一定时间的技术布局和产业链发展，全球制氢电解槽装机步入快速成长阶段，2021年全球新增装机209MW，同比增长2.4倍；IEA预计，2022和2023年全球制氢电解槽新增装机将分别达到0.9和4.1GW，总装机分别达到1.4GW和5.5GW；净零排放目标下，2030年全球制氢电解槽累计装机将达到720GW。

中国和欧洲引领，全球电解槽产能高速增长。IEA统计，2021年全球电解槽总产能8.0GW/年，其中欧洲和中国产能分别为3.5和2.9GW，占比分别为44%和36%。IEA预计，2023/2025年全球电解槽总产能将分别达到21.5和45.1GW/年，欧洲和中国电解槽产能合计占全球的85%/68%；2021-2025年全球电解槽总产能复合增长率达到54.1%。

国内市场：电解槽招标再创新高，绿氢赛道爆发在即

2022年电解槽出货量同比翻倍。GGII初步统计，2022年国内电解水制氢设备出货量达到722MW（含出口，不含研发样机），同比大幅增长106%。其中，中石化新疆库车绿氢示范项目贡献比例最大，安装52台单槽制氢能力1000Nm³/h的碱性电解槽，功率规模约240MW，占全国出货量的1/3。

商业模式：风光制绿氢模式起量，化工领域绿氢替代加速

2023年以来，国内绿氢项目进展加速。根据公开信息统计了年初以来（截至2023.4.15）国内绿氢项目动态情况，共有30个项目公布了最新进展，包括项目签约、备案、开工、投产等。上述项目全部达产后，预计绿氢年产能合计可达到42.9万吨。

供电方式：风光联合供电制氢占据主流。统计项目中，16个项目为风电+光伏联合供电，对应绿氢产能共32.86万吨/年，占统计项目规模的77%。风光联合供电项目占比高，部分由于本次统计包含了1月内蒙古公示的15个风光制氢一体化示范项目（11个为风光一体，4个为风电），内蒙古作为国内绿氢基地发展的主要省份，风电资源较为丰富，部分影响了绿氢项目的电源选择。同时，由于风光发电时段存在互补，风光联合制氢有助于延长每日制氢时长、降低耗电成本，助力绿氢项目显现经济性。

应用场景：大规模绿氢制绿氨率先放量。统计项目中，14个项目下游应用于合成绿氨，对应绿氢产能32.86万吨/年，占统计项目规模的75%。值得注意的是，公布制氢规模的22个项目中，15个年制氢1万吨以上，下游均用于化工合成；明确用于交通领域的项目多为小规模站内制氢，产能共0.74万吨/年。以合成氨为代表的化工应用，或将成为大规模（万吨级）制氢项目的优选应用场景。

电解水制氢主要有4种技术路线

电解水制氢主要有碱性电解(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)四种方法。

•碱性电解(ALK)是在碱性电解质溶液(通常为KOH)中完成的电解过程，O H - 离子经隔膜到达阳极，失去电子产生 O 2 ，水在阴极得到电子，产生H 2 和O H - 。

•质子交换膜电解(PEM)是对纯水进行电解，H 2 O分子在阳极氧化生成氧气和 H + 离子， H + (质子)在电场作用下通过质子交换膜迁移至阴极并发生还原反应生成氢气的方法。

•固体氧化物电解(SOEC)是在高温状态下将水蒸气电离生成氢离子和氧离子，分别在电极上生成氢气和氧气的过程，其反应温度通常在600℃以上，适用于产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。

•阴离子交换膜电解(AEM)通常采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质，反应过程为：O H - 经交换膜到达阳极生成水和氧气，水分子在阴极生成O H - 和氢气。

电解水制氢工艺路线比较：各有千秋

•碱性电解(ALK)特点：

− 优势：目前技术最成熟、设备成本低

− 局限：有腐蚀液体；运维成本高；理论效率低于PEM、SOEC等路线；较难应用于间歇性电源

•质子交换膜电解(PEM)特点：

− 优势：间歇性电源适应性高，易于与风光等可再生能源结合；运维成本低

− 局限：设备成本高；需使用贵金属催化剂

•固体氧化物电解(SOEC)特点：

− 优势：理论效率高；可使用非贵金属催化剂

− 局限：高温环境反应，应用场景有限；处于实验室研发阶段，尚未实现产业化

•阴离子交换膜电解(AEM)特点：

− 优势：兼具碱性和PEM的优势：材料成本低；电解液为稀碱液或水，腐蚀性低，且无需贵金属催化剂

− 局限：阴离子交换膜量产难度大，仍在研发阶段

碱性电解路线成熟，PEM成长性强，SOEC、AEM后续潜力优良

从电解槽的装机容量来看，碱性电解是目前的主流路线，PEM路线成长迅速。碱性电解是目前最成熟的路线，IEA根据现有氢能项目部署情况估算，2022年全球碱性电解槽累计装机量至少为727MW（部分项目未披露技术路线），占总装机规模的52%。PEM电解槽装机占比不断提升，2022年累计装机至少为366MW，同比增长近200%；2023年累计装机量有望接近碱性电解槽，超过1GW。

PEM、SOEC、AEM方案具有优良的降本增效潜力。提高电流密度是降低电解槽设备单位投资成本的关键因素，但电流密度的提升通常伴随着电解槽电压的升高，从而导致电解效率下降。如右下图所示，PEM、SOEC方案可以实现更高的电流密度和更低的电压，降本增效的潜力优良，未来技术成熟后存在替代空间。此外，目前处于研发阶段的AEM路线理论效率与PEM相近，但无需贵金属催化剂，原材料成本低廉，若可实现产业化，亦存在优良的降本推广潜力。

碱性电解槽：由电解小室堆叠而成，电极、隔膜和密封垫片是关键材料

电解槽是电解水制氢的核心设备。电解水制氢装置包括主体设备、辅助设备(BOP，Balance of Plant)及电控设备三部分。主体设备由电解槽和附属设备一体化框架组成，电解槽为核心设备；辅助设备包括水箱、碱箱、补水泵和气体减压分配框架等；电控设备包括整流柜，配电柜等。电解槽是电解反应发生的主要场所，由多个电解小室堆叠而成，是一种高度模块化的系统。

碱性电解槽由多个电解小室构成，电极、隔膜和密封垫片是关键材料。碱性电解槽通常呈圆柱形，可采用串联单极性或并联双极性压滤式结构，由螺栓和两块端压板将极板夹在一起，形成多个分隔的小室，每个小室由电极、隔膜、垫片、双极板组成。电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍，其性能对电流密度和电解效率有决定性影响，其成本约占系统成本的28%；隔膜用于将两极隔离开，要求保障气密性的同时，降低电阻以减少电能损耗；密封垫片用于解决极片之间的绝缘问题，其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。

PEM电解槽：结构和性能优势突出，材料成本较高

PEM电解系统主要由电解槽和辅助系统(BOP)组成。电解槽是电解反应制氢的核心装置，辅助系统则用于原材料（水）的处理、系统循环和氢气产物的干燥纯化等，主要包括电源供应系统、氢气干燥纯化系统、去离子水系统和冷却系统等部分。

PEM电解槽采用质子交换膜作为电解质，结构和性能具有一定优势。PEM电解槽同样由多个电解单元堆叠而成，每个单元均由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板构成。PEM电解槽使用质子交换膜作为固体电解质，替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质（KOH溶液），内阻更小、内部结构更为紧凑，电解效率大幅提高，规模选择也更为灵活；PEM电解采用纯水而非碱液作为电解原料，产氢纯度较碱性制氢更好。然而，PEM电解在强酸性环境下进行，需使用贵金属催化剂，导致成本较高。

PEM电解槽：质子交换膜依赖进口，有待国产突破

PEM电解槽关键原材料有待国产化。目前，国内PEM电解槽产业规模较小，主要原因为关键材料质子交换膜生产技术由欧美、日本等巨头垄断，国内电解槽厂商使用的质子交换膜主要向杜邦进口，成本和供应链均面临一定压力。此外，PEM电解槽使用的贵金属催化剂也存在进口依赖性。国内PEM电解槽产业的发展，需要国产关键材料环节的进一步突破。

电解槽全球竞争格局：中国和欧洲企业产能规模领先，主要参与者积极扩产

从产能布局来看，中国和欧洲企业产能规模领先，主要参与者积极扩产。2022年11月，BNEF估计了全球各大电解槽企业产能规划情况，2022、2023年底预计产能排名前20企业分别如下。根据以上数据，2022年底，全球电解槽产能Top 20企业产能共计14GW，其中中国企业8家，产能共计6.7GW，以ALK路线为主；欧洲企业9家，产能共计4.7GW。2023年底，预计全球电解槽产能Top 20企业产能共计26.4GW（同比+89%），其中中国企业9家，产能共计9.1GW；欧洲企业7家，产能共计10.2GW。

电解槽国内竞争格局：2022年CR3达到73%，新入者层出不穷

从出货规模来看，考克利尔竞立、派瑞氢能和隆基氢能居国内企业第一梯队。GGII统计，2022年我国电解水制氢设备出货量722MW（含出口），同比增长106%。考克利尔竞立出货230MW，排名维持第一；派瑞氢能位居第二，隆基氢能首次跻身第三。

市场玩家增加，国内市场集中度有所下降。我国电解槽出货量TOP3厂商2022年共计出货527MW，市占率合计73%，CR3较2021年下降10个百分点。这意味着随着国内电解槽参与者增多，市场集中度有所下降。值得注意的是，2022年国内出货量TOP3的电解槽厂商最大订单均来自中国石化新疆库车绿氢示范项目，该项目共采购52台1000标方碱性制氢设备。因此，若不考虑大订单，国内电解槽市场集中度或许进一步下降，市场仍处于高成长、竞争格局未确定的阶段。

海外参与者：PEM路线为主，欧美企业实力强劲

本文来源：北京能源协会

中国电工技术学会

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