产业深度01期：降本为王，论碱性和PEM电解水制氢技术路线的选择

产业深度 2023.07.07，01期 降本为王：论碱性和PEM电解水制氢技术路线的选择 摘要： 不同电解水制氢技术路线，并不是非此即彼的关系，而是互相竞合，各有各的适用场景，目前业界也在探索耦合碱性和PEM各自的优势，共同匹配绿电制氢。上游制氢产业的核心，是为了制备出足够便宜的绿氢，让下游能够用得起氢气，从而实现大规模工 业化和消费级的用氢需求，减少二氧化碳排放。 从技术指标切入，理解不同的电解水制氢技术路线。围绕目前主流的碱性电解（ALK）和质子交换膜电解（PEM），选取电流密度/单位电耗、负荷范围/响应速率两组技术指标：①电流密度/单位电耗：电流密度决定设备成本，单位电耗决定能耗成本。电流密度越高，电解槽功率密度越大，单位功率电解槽材料用量越少，设备成本越低；单位电 耗越小，每生成1Nm³氢气的耗电量越少，能耗成本越低。提高电流密度，降低单位电耗的核心均在于减少电解槽内阻。②负荷范围/响应速率：负荷范围越宽，响应速率越快 →匹配风光耦合性越好。碱性电解槽负荷调节范围仅为20%-100%，难以快速启动停止 和变载；PEM电解槽负荷调节范围达0%-120%，可以实现快速启动停止和快速响应。目 前业界也在探索两者耦合共同匹配绿电制氢的方案。 成本是决定碱性/PEM电解槽渗透率的关键因素。国内出货量中碱性占据绝对主导，海外出货量中碱性略大于PEM；核心在于国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，海外PEM仅为碱性1.2-1.5倍，PEM的综合性价比优势在海外更为明显。未来，碱性电解槽主要以 降低电耗，减少能耗成本为主，提高综合性价比；PEM电解槽主要以提高电流密度，降低贵金属铱载量，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将更为陡峭。 预计到2030年，国内用氢需求量将达4500万吨，按电解水制氢占比15%、年工作小时数3000h计算，对应电解槽累计装机量将达125GW，到2030年电解槽市场空间将超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仍会不断演化，系统端隆基、三一等风光企业具备极强竞争力，材料端将涌现一批崭新的初创企 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 作者：陈磊 电话：021-38038037 邮箱：chenlei022459@gtjas.com 资格证书编号：S0880522060001 作者：肖洁 电话：021-38674660 邮箱：xiaojie@gtjas.com 资格证书编号：S0880513080002 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 产业研究中心 钙钛矿电池产业链深度报告（四）：效率极限探索下，叠层电池振翅欲飞 2023.07.05 机器人产业深度（三）：机器人的关节——精密执行器 2023.06.26 制造业数字化转型投资框架：迈入工业数字化时代 2023.06.26 丹纳赫案例研究（上）：——从投资到并购、从财务到产业 2023.06.19 铝型材产业研究展望：一体化压铸趋势明朗，市场竞争系渗透率提升主要驱动力——新能源产业研究系列 （十） 2023.06.12 往期回顾 目录 1.从技术指标理解不同的电解水制氢技术3 1.1.电流密度越高，单位电耗越低→设备和能耗成本小3 1.2.负荷范围越宽，响应速率越快→匹配风光耦合性越好5 2.成本决定碱性和PEM的渗透率5 2.1.碱性：降低电耗，提高综合性价比6 2.1.1.隔膜：pps布→复合隔膜，改善亲水性、减小厚度7 2.1.2.催化剂：雷尼镍→贵金属铂系催化剂7 2.2.PEM：提高电流密度，减少材料用量，降低设备成本7 2.2.1.提高电流密度，等比例降低设备材料成本8 2.2.2.降低贵金属催化剂铱载量9 2.2.3.国产化+规模化：质子交换膜、钛毡、钛板和辅助系统9 3.竞争格局持续演变，共享千亿制氢市场10 1.从技术指标理解不同的电解水制氢技术 不同电解水制氢技术路线，并不是非此即彼的关系，而是互相竞合，各有各的适用场景，目前业界也在探索耦合碱性和PEM各自的优势，共同匹配绿电制氢。上游制氢产业的核心，是为了制备出足够便宜的 绿氢，让下游能够用得起氢气，从而实现大规模工业化和消费级的用 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），选取电流密度/单位电耗、负荷范围/响应速率两组技术指标，更好理解不同电解水制氢技术路线的区别。 图1：水电解制氢技术对比分析 资料来源：三一氢能 1.1.电流密度越高，单位电耗越低→设备和能耗成本小 电流密度决定设备成本，单位电耗决定能耗成本。电流密度越高，电解槽功率密度越大，单位功率电解槽材料用量越少，设备成本越低；单位电耗越小，每生成1Nm³氢气的耗电量越少，能耗成本越低。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4.4-5kwh/Nm³。 ①提高电流密度，减少设备成本。电流密度即单位面积的电流强度，代表单位面积的产氢速率大小。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，对于给定的电压大小，内阻越小，电流密度就越大。因此，提高电流密度，核心在于减少内阻。 ②降低单位电耗，减少能耗成本。在标准温度压力下（压力，温度），电解水的理论电压为1.23V（热平衡电解电压1.48V），制取1Nm³氢气所需理论电2量39为0A*h，生成1Nm³氢气的理论能耗为 1.23V*2390A*h=2.94kwh。在工业生产中，由于受内阻带来的过电势影响，实际电解水电压通常为1.8-2.4V，故实际生成1Nm³氢气的能耗 接近5kwh。因此，降低单位能耗，核心也在于减少内阻，降低电解电 压。 图2：相同电解电压下，PEM电解槽电流密度＞碱性电解槽电流密度 资料来源：《PowertoGasSystemsIntegratedwithAnaerobicDigestersandGasificationSystems》 电解槽内部的内阻带来的过电位损失包括欧姆损失、阳极过电势、阴极过电势、传质损失。 ①欧姆损失(电解质)：由电解质决定，电解质内阻越大，欧姆损失越 大。碱性电解槽电解质为30%KOH溶液+PPS布，PEM电解槽电解质为全氟磺酸树脂膜，PPS布厚度在500µm至600µm，全氟磺酸树脂膜的厚度在100µm至175µm，碱性电解槽的隔膜较厚；同时，碱性的电解槽电极间的距离远大于PEM电解槽，欧姆损失更大。 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Ni基催化剂如雷尼镍，PEM电解槽阳极常用IrO2，阴极常用Pt/C催化剂，Ni的过电势大于Ir和Pt，碱性的阳极/阴极过电势损失更大。 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 生成气体的过程中会产生气泡，当气泡堵塞在多孔传输层/镍网，或气泡在电极表面脱落不畅时会产生传质损失，为让气泡更快脱离多孔传输层/镍网需要耗能，从而产生过电势。碱性电解槽阴阳极镍网都处于30%KOH溶液中，而PEM电解槽只有阳极钛基多孔传输层处于纯水中，只有气液交界处才会产生气泡。因此，碱性电解槽的阴阳极都有传质损失，而PEM电解槽的传质损失主要来自阳极；相比碱性电解槽，PEM电解槽的总传质损失更小。 图3：电解槽过电位包括欧姆过电势、阳极/阴极过电势、传质过电势 资料来源：《StatusandperspectivesofkeymaterialsforPEMelectrolyzer》 1.2.负荷范围越宽，响应速率越快→匹配风光耦合性越好 以风能和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，日内的功率输出波动范围极大，极端情况下可在0-100%范围内变化。因此，电解水制氢系统与风光等可再生能源耦合需具备较宽的功率运行范围和较快的启停响应速率。 图4：风力发电量变化 资料来源：国家电网 碱性电解槽负荷调节范围为20%-100%，难以快速启动停止和变载（热启动：1min-5min；冷启动：1h-5h）。碱性电解槽采用的是物理隔膜，需要时刻保证电解槽两侧的压力平衡，以防止氢氧气体穿过多孔的隔 膜引起爆炸。①负荷范围20%-100%：碱性电解槽长期运行在低功率区间时，氢气和氧气在电解槽内部通过隔膜扩散和对流引起气体交叉，存在安全风险。②启停时间久：冷启动时，碱性电解槽电流密度低，电解槽升温较慢，导致冷启动时间长；碱性隔膜在尚未达到适宜工作 温度的情况下，氢氧混合比例易失衡，存在爆炸风险。 PEM电解槽负荷调节范围达0%-120%，可以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电解槽采用的是化学隔膜，可有效阻隔氢气和氧气的交叉渗透。①负荷范围0%-120%：负荷范围宽，能够有效匹配可再生能源的间歇性、周期性特点。②启停时间短：PEM电解槽以固体为基质，热传导速度更快，无需在启动前进行较长时间的温度调整。 2.成本决定碱性和PEM的渗透率 根据《中国氢能与燃料电池产业年度蓝皮书（2022）》，2022年国内电解槽出货量，8其00中MW碱性电解槽776MW，占比97%；PEM出货量23MW，占比仅3%。对比来看，根据彭博新能源财经统计，2022年EMEA （欧洲、中东、非洲）地区碱性装机量177MW，占比62%；PEM装机量104MW，占比37%；SOEC装机量2MW，占比1%。国内出货量中碱性占据 绝对主导，海外出货量中碱性略大于PEM；关键在于国内PEM设备成本是碱性的4-6倍，海外PEM仅为碱性1.2-1.5倍，PEM的综合性价比优势在海外更为明显。 图5：2022年中国电解槽出货量图6：2022年EMEA地区(欧洲、中东、非洲)出货量 23MW 3% 776MW 97% 碱性水电解氢设备 质子交换膜(PEM)水电解 制氢设备 碱性水电解氢设备 2MW 1% 104MW 37% 177MW 62% 质子交换膜(PEM)水电解 制氢设备 固体氧化物(SOE)水电解制氢设备 资料来源：《中国氢能与燃料电池产业年度蓝皮书（2022）》资料来源：BloombergNEF 2.1.碱性：降低电耗，提高综合性价比 碱性电解水制氢系统由碱性电解槽+辅助系统（电源系统、气液分离系统、纯化系统等）组成。以1000标方（5MW）的碱性电解水制氢系统 为例，价格1000万元，成本700-800万元，其中碱性电解槽占比60%，电源系统/气液分离系统/纯化系统各占比10%。 图7：碱性电解水制氢系统组成图8：碱性电解水制氢辅助系统功能及作用 资料来源：《势银绿氢产业发展蓝皮书2023》资料来源：国泰君安证券研究 碱性制氢系统每生产1标方氢气需要5kwh，电价0.3元/kwh、年工作小时数3000h，碱性电解水制氢成本为20元/kg，其中电耗成本占比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 降低单位电耗→减少能耗成本，其次是提高电流密度→减少设备成本，并保持设备性能的稳定性。目前国内厂商主要通过改进隔膜、加入贵金属催化剂、优化电解槽结构等来降低单位电耗、提高电流密度。 图9：碱性电解槽组成结构图10：碱性电解槽成本拆解(5MW，1.9V0.3A/cm2) 其他 左右压板 5% 密封垫圈9% 10% 催化剂 16% 双极板 42% 镍网 7% pps布11% 资料来源：碳能科技资料来源：国泰君安证券研究 2.1.1.隔膜：pps布→复合隔膜，改善亲水性、减小厚度 国内碱性电解槽普遍使用以聚苯硫醚（PPS）织物为基底的隔膜，其价格较低，但厚度大、亲水性弱→电耗较高，同时隔气性差导致氢氧容 易互窜，安全性低。为降