近日，上海氫銳科技有限公司正式發(fā)布了PEM制氫電解槽。

據(jù)了解，該系列高效PEM電解槽，已經(jīng)實現(xiàn)了從5標(biāo)方到250標(biāo)方的批量制造，單槽最大產(chǎn)氫量250Nm3/h，采用115膜的電解槽在1.5A/cm2電密下能耗4.1度電產(chǎn)1標(biāo)方氫氣，采用80微米膜增強(qiáng)膜的電解槽，在2A電密下，也是4.1度電產(chǎn)1標(biāo)方氫氣。更重要的是，電解槽具有高一致性，極差小于30毫V，耐受壓差1.6MPa。

PEM電解槽的結(jié)構(gòu)組成

質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)，采用具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的高分子膜作為電解質(zhì)，無堿液，電解槽的隔膜主要由質(zhì)子交換膜構(gòu)成。PEM水電解槽中，水在陽極被分解成氧氣（O2）、電子（e-）和質(zhì)子（H+），氧氣從陽極排出。電子通過外電路流向陰極，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜流向陰極。在陰極一側(cè)，兩個質(zhì)子和電子重新結(jié)合產(chǎn)生氫氣（H2）。

與 ALK 電解槽相比，PEM 電解槽具有電流密度大、氫氣純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，更適合與風(fēng)光儲技術(shù)相結(jié)合。但是由于 PEM 電解槽需要在強(qiáng)酸和高氧化性的工作環(huán)境下運行，因此 PEM 電解槽對于貴金屬材料例如銥、鉑、鈦的依賴度更高，導(dǎo)致目前的 PEM電解槽設(shè)備造價較高。

PEM電解槽主要部件包括膜電極（質(zhì)子交換膜、催化層、擴(kuò)散層）、雙極板、環(huán)氧樹脂板和端板。其中，端板起固定電解池組件，引導(dǎo)電的傳遞與水、氣分配等作用；擴(kuò)散層起集流，促進(jìn)氣液的傳遞等作用；催化層的核心是由催化劑、電子傳導(dǎo)介質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)構(gòu)成的三相界面，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的核心場所；質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，一般使用全氟磺酸膜，起到隔絕陰陽極生成氣、阻止電子的傳遞以及傳遞質(zhì)子的作用。

成本構(gòu)成占比

對于PEM電解槽而言，各個核心零部件的成本居高不下是最大的阻礙，原因來自于國產(chǎn)化程度不高、嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

催化劑方面，開發(fā)高活性的催化劑，如含鉑催化劑是一大挑戰(zhàn)，因為我國鉑族金屬含量較少，而如何開發(fā)含鉑量更低且替代性剛好的催化劑還在研制之中。

膜電極方面，陽極擴(kuò)散層、陽極催化劑、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑、陰極擴(kuò)散層組成PEM制氫膜電極，約占電解槽成本的20%-25%。每MW PEM制氫電解槽的膜電極用量在30-50平不等，單價大約是燃料電池膜電極的3-4倍。PEM電解槽最適用的是全氟磺酸(PFSA)膜，然而其價格非常昂貴，這給成本帶來極大難題。

雙極板方面，雙極板占電堆成本的 50%以上，膜電極成本約占 1/4，其中貴金屬約占系統(tǒng)成本的 10%。為了保證電解槽的氫氣輸出量并匹配電壓，要求雙極板需要具備較高的熱傳導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性和較低的電阻。這對雙極板的材料提出更高要求，目前理想材料是鈦，但由于鈦較易被腐蝕，需要在表面鍍鉑，這使得組件成本進(jìn)一步增加，同時也需要開發(fā)更為合適的雙極板材料。氣體擴(kuò)散層方面，目前幾乎依賴進(jìn)口。目前主要集中在電解槽陽極側(cè)，陽極電位比陰極高得多，容易氧化碳材料，氧化物的形成會增大表面接觸電阻，因此也需如雙極板一樣在表面涂上貴金屬等物質(zhì)，由此需要對氣體擴(kuò)散層的孔隙率和導(dǎo)電性更加優(yōu)化，然而這又再一次增加了成本。

PEM電解水制氫系統(tǒng)設(shè)備成本

PEM電解水制氫系統(tǒng)由PEM電解槽+輔助系統(tǒng)（電源系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、純化系統(tǒng)等）組成。以海外1000標(biāo)方（5MW）的PEM電解水制氫系統(tǒng)為例，售價4400萬元，成本3000-4000萬元，其中PEM電解槽占比60%：輔助系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)占比50%、氣液分離系統(tǒng)+純化系統(tǒng)占比25%。

來源：產(chǎn)業(yè)觀察者、國泰君安研究所

PEM制氫系統(tǒng)每生產(chǎn)1標(biāo)方氫氣需要4.5kwh，電價0.3元/kwh、年工作小時數(shù)3000h，PEM電解水制氫成本為31元/kg，其中電耗成本接近52%、設(shè)備成本占比48%。相比堿性，PEM的設(shè)備成本仍然占比較高，因此未來核心要通過提高電流密度、降低貴金屬銥載量來減少設(shè)備折舊成本。

電流密度決定設(shè)備成本，單位電耗決定能耗成本。電流密度越高，電解槽功率密度越大，單位功率電解槽材料用量越少，設(shè)備成本越低；單位電耗越小，每生成1Nm3氫氣的耗電量越少，能耗成本越低。堿性電解槽的電流密度通常為0.25A/cm2-0.4A/cm2，系統(tǒng)電耗為4.8-5.5kwh/Nm3：PEM電解槽的電流密度通常為1A/cm2-3A/cm2，系統(tǒng)電耗為4.4-5kwh/Nm3。

此外，PEM電解槽設(shè)備成本降低的另一大方面就是降低貴金屬催化劑銥載量。國內(nèi)貴金屬產(chǎn)量不高，原材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，導(dǎo)致成本大幅上漲。目前國內(nèi)貴金屬催化劑銥載量為2-4mg/cm2，海外成熟廠商貴金屬催化劑銥載量為1.2mg/cm2；根據(jù)美國DOE目標(biāo)，到2030年銥載量0.3mg/cm2。

除了以上兩大因素外，質(zhì)子交換膜、鈦氈、鈦板以及BOP輔助系統(tǒng)的國產(chǎn)化和規(guī)模化也是PEM電解槽系統(tǒng)降本的重要途徑。

項目裝機(jī)情況

目前，國內(nèi)綠氫項目多以堿性電解槽為主，但全球范圍內(nèi)綠氫項目更多以堿性電解槽與PEM電解槽搭配為主。

根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，截至2023年10月底，全球已投產(chǎn)綠氫項目電解槽裝機(jī)1106MW，其中ALK項目占比71%，PEM電解槽項目占比20%，其他 （以 ALK+PEM 為主）項目占比9%；在建項目共14.1GW，其中ALK項目占比35%，PEM占比17%，其他類項目占比48%；可研項目共275GW， 其中堿性電解槽占比3%，PEM電解槽占比 5%，其他占比 92%。

預(yù)計到2030年，國內(nèi)用氫需求量將達(dá)4500萬噸，若電解水制氫占比達(dá)15%，對應(yīng)電解槽累計裝機(jī)量將達(dá)125GW。2030年，國內(nèi)電解槽出貨量54GW，其中堿性電解槽36GW、PEM電解槽17GW，對應(yīng)市場空間超1000億元。

現(xiàn)階段，國內(nèi)綠氫項目考慮到整體的經(jīng)濟(jì)回報率，相對更加傾向于選擇堿性電解槽，項目也會更多選擇堿性電解水制氫的技術(shù)路線。但從項目的全生命周期角度來看，在同等產(chǎn)氫規(guī)模下，PEM電解槽的經(jīng)濟(jì)性將會比較明顯。

出貨及招標(biāo)情況

2023年被成為綠氫“元年”。有數(shù)據(jù)總結(jié)，2023年已落地投運的項目合計電解槽裝機(jī)量654MW，其中堿性電解槽裝機(jī)624MW，占比95%，PEM電解槽裝機(jī)30MW，占比5%。從中標(biāo)情況來看，2023全年累計中標(biāo)規(guī)模達(dá)到1055.5MW，堿性電解槽占比92.8%，PEM電解槽占比7.2%。

盡管從短期來看PEM電解槽的占比較少，相比于堿性電解槽的優(yōu)勢較少，但從長期來看，PEM電解槽的降本空間巨大，未來應(yīng)用占比將迅速擴(kuò)大。

遠(yuǎn)期來看，堿性電解槽制氫成本和PEM電解槽制氫成本的降幅分別達(dá)到 63.1%和 73.8%。PEM電解槽制氫成本的降低主要受益于電價的下降，以及國產(chǎn)化替代帶來的設(shè)備成本下降疊加壽命延長帶來的均攤成本下降，兩者的降幅分別達(dá)到 94.2%和 57.8%。

2021年，中國的氫氣產(chǎn)量達(dá)到3300萬噸。據(jù)預(yù)測，到2030年，中國的氫氣年需求量將達(dá)到約3700萬噸，其中可再生能源制氫將達(dá)到約700萬噸。而到2060年，這一數(shù)字將增至1.0-1.3億噸，其中可再生能源制氫將達(dá)到0.75-1.0億噸。

從國內(nèi)目前PEM電解水制氫項目進(jìn)展來看，多數(shù)項目均以開工或投產(chǎn)， 項目大多為規(guī)模 1-2.5MW 的示范項目。2023 年國電投大安風(fēng)光制綠氫一體化示范項目PEM 電解槽招標(biāo)規(guī)模達(dá)到50MW，超過了其他11個項目規(guī)模總和，PEM 電解槽應(yīng)用規(guī)模正在擴(kuò)大。

國內(nèi)制氫領(lǐng)域頭部企業(yè)均有涉及PEM制氫技術(shù)路線，陽光氫能（陽光電源子公司）、派瑞氫能、綠動氫能等均在PEM電解槽市場積極布局。

來源：中金研究

就目前國內(nèi)制氫市場來看，主要核心問題在于降本，如何能夠更好地選擇制氫技術(shù)路線進(jìn)而達(dá)到項目的最優(yōu)效益，已經(jīng)成本“兵家必爭之地”。

無論是成本較低的堿性電解槽制氫，還是制氫純度更高的PEM電解槽制氫，抑或是技術(shù)還在發(fā)展階段的SOEC電解制氫和AEM陰離子電解槽制氫，四種制氫技術(shù)路線應(yīng)用場景各有不同，其中也不乏有兩種技術(shù)路線共同參與的項目。雖然短期的制氫市場競爭略顯“無序”，但相信經(jīng)過市場的考驗之后，各家的優(yōu)劣也將顯明。