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一场全球性的氢能军备竞赛承揽转换。

跟着景色电等可再生动力的快速成长和消纳需求，加上地域抵触引发的全新动力安全需求，氢能成了全球各国要点重视的动力载体。

本文中，咱们将直接切入氢气出产的要害配备——电解槽的具体手工蹊径，并在之后进一步聚集其间最首要的焦点部件之一——隔阂及其成长趋势。

电解制氢四条路

现阶段的制氢蹊径可大致分为三种：工业副产氢、化石燃料制氢、电解水制氢。

工业副产氢，是指氢作为副产品，产生于其它工业出产进程中。但清楚明了，以这种方法获取的氢气，不能能支撑将之成长为一种动力载体，其产能彻底不能控，也无法真实完结工业化。

化石燃料制氢，则是以煤或专横气作为材料出产氢气，工艺老练且本钱低，是现在最首要的制氢方法。该方法存在碳排放，不相符碳中和意图，不能作为支撑氢能工业的出产工艺。

若辅以碳捕捉和网络手工，以零排放出产的氢，便是蓝氢。该形式的问题是企业需求担负很多格外本钱，不行经济，且蓝氢本质上并未脱离化石燃料，没有根本问题。难怪连在排放问题上适当急进的德国都市称这一蹊径“令人猜疑”。

电解水制氢在当下氢气出产结构中占比低，但遭到全球动力职业的遍及重视。电解水制氢材料易得，出产进程不产生格外碳排放，符合双碳意图；氢能与当时全球限制内风电、光伏装机量快速增进的大靠山相匹配，极为廉价的电力大幅下降制氢动力本钱，消纳绿电的才能也相符可再生动力工业需求，是动力转型趋势下的抱负动力载体。现在全球制氢工业呈快速成长态势，在交通范畴外的储能、工业出产（如炼钢）等职业，也被许多国家归入成长规划、设定了呼应的成长意图，承揽成为动力工业成长倾向之一。

数据显现，停手2022年年末全球氢能范畴的直接出资额近2500亿美元，而据世界氢能委员会展望，到2030年该出资总额将升至5000亿美元[1]。

在国内，有2022年3月出台由国家动力局联合印发的《氢能工业成长中耐久规划（2021-2035年）》，制订了职业的成长意图。而仅2023年1~2月，已公开投标电解槽的绿氢项目共8个，算计电解槽投标量达763.5MW，同比增进近3倍，承揽跨过2022年国内电解槽出货量（近750MW）[2]。包围投标量和出货量不彻底可比，但整年的出货量增进，也仅仅能有多快的问题。

其它可再生动力制氢，如生物制氢、光分析制氢等新式手工蹊径，半响老练度很低，间隔商业化还对照悠远，不做张开评论。

当时首要电解制氢手工有4种，划分为：碱性电解制氢（alkaline water electrolysis，AWE）、阴离子沟通膜电解（anion exchange membrane electrolysis，AEM）、质子膜电解制氢（proton exchange membrane electrolysis，PEM），以及固体氧化物基电解制氢（solid oxide electrolysis cells，SOEC）[3][4][5]：

碱性电解制氢：AWE以碱性水溶液为电解质，首要接收PPS膜（聚苯硫醚）作为隔阂，在直流电的效果下，将水电解天然生成氢气和氧气，是当时最老练、商业化水平最高、运用最为遍及的制氢手工，也是当时氢能工业的*手工蹊径。咱们在前文说到，2023年前两个月的电解槽投标量就已跨过2022年的整年出货量，这些电解槽就一切是碱性电解槽。AWE手工的优势在于本钱友爱，操作俭朴，配备运用寿数长，工艺老练，单台配备产能高，且国产化率高，国产配备已达世界*水平。该蹊径的缺点是配备体积大，需求更大园地；*能量功率明显低于其他手工蹊径；半响反映进程触及碱性溶液，存在必定腐蚀性，需求保护配备。AWE最杰出的瑕玷是因部分出产环节的特征导致配备呼应速率慢，无法快速启停，制氢速率难以调节，不适应波动性强的电源，换言之便是难以合作风电与光伏等可再生动力。

阴离子沟通膜电解制氢：AEM是针对AWE缺点开发的制备工艺。配备接收阴离子沟通膜作隔阂，以纯水或弱碱液为电解质，可完结OH-从阴极到阳极的转运。该手工本钱较低，且隔阂兼具优胜的气密性、安定性和低电阻性，能够合作非贵金属催化剂完结高电导率和大电流密度，且可缓解AWE的串气问题，是AWE或许的改进计划之一。其瑕玷是离子电导率低、高温安定性差，需进一步研讨开发高效安定的隔阂及适配的高功能催化剂。AEM现阶段的手工老练度在四条蹊径里*，仍在实验室研制阶段。

质子膜电解制氢：PEM以高分子聚合物质子沟通膜替换了碱性电解槽中的隔阂和液态电解质，直接分析纯水，被视为有望替代AWE的下一代制氢手工，承揽在一些国家完结初步商业化。PEM的优势在于配备体积小，功率高，制得氢气纯度高，且呼应速率快，能够适应可再生动力波动大的特征，很合适介入电网负载调控。PEM的缺点在于配备寿数志同道合往常，对水质要求更高，导致材料供给难度升高，单配备产能远不及AWE蹊径；现在焦点的质子膜被国外企业掌控，国产化率低的危险也不容忽视。PEM最杰出的问题在于反常贵重，催化剂很多运用铂等贵金属，配备本钱乃至可达AWE蹊径的3~5倍，不行经济，过高的本钱乃至导致部分国家为实施完结大规划出产而转向AWE蹊径。

固体氧化物电解水制氢：SOEC接收固态氧化物作电解质，在700~1000摄氏度的高温环境下，混有少数氢气的水蒸气从阴极进入，在阴极产生电解反映分析成H2和O2-，O2-经过电解质层抵达阳极，在阳极失掉电子天然生成O2。SOEC在电解器材规划和工作条件方面与前文制氢手工差异明显，优势在于能量功率明显高于AWE和PEM，可达90%以上，但手工老练度低，尚不具有商业化条件，现在处于初步树模阶段。

商场方面，我国是全球*的氢出产国，也是*的电解槽配备制作国。当然，现阶段的氢并不作为动力载体存在，而是一种工业材料，遍及用于炼油、组成氨、组成甲醇、炼钢等。

世界动力署计算显现，2021年全球氢气产能约为9400万吨；国内产值约为3300万吨[6][7]。不过全球氢气供给首要由化石燃料重整制得，会产生很多碳排放，并不清洁。这意味着连系双碳意图，纵然不把氢气视为一种燃料，电解水制氢也有替换机遇与商业化场景，不必将视角限制在氢能职业。

凭据《我国氢能与燃料电池工业年度蓝皮书（2022）》，2022年全球电解槽商场出货量抵达1GW ，我国电解槽总出货量跨过800MW，同比增进129%以上，全球占比跨过80%；碱性电解槽占有*主导职位，年出货量为776MW；出货量前三名的制氢配备厂商划分为：考克利尔竞立、中船派瑞氢能、隆基氢能。其间隆基氢能仅用一年时间就早年五名开外上升至第三 [8][9]。

碱性电解槽：老练的魅力

AWE电解槽能取得商场的喜爱不难理解。手工老练、本钱低价历来都是工业出产最为喜爱的特质。

图片根源：碳中和靠山下先进制氢原理与手工研讨期望[5]

作为一项前史跨过一个世纪的手工，AWE蹊径现在的工业老练与国产化水平都承揽很高，经过优化配备完结降本的空间包围还在，但效果不会稀罕杰出，这与配备本钱居高不下的PEM蹊径非常差异。碱性电解槽当时的焦点降本逻辑承揽进入寻求规划化效应摊薄本钱的阶段，其典型显现便是配备越来越大，单槽产能1000Nm³/h根本已成标配，中船派瑞在2022年12月更是推出了单体产氢量2000Nm³/h的“巨无霸”[10]。

除了规划化效应，AWE的制备手工上也有宗族空间。

首要便是针对焦点部件——隔阂的晋级。现在，配备制作商正在由传统的PPS膜转向概括功能更优的复合隔阂。

一些复合隔阂专心于进步AWE的能量行使率。BloombergNEF数据显现，一些复合隔阂可将能量功率进步4%，且国产膜的本钱或许仅为欧洲的30%左右，可有用连续国产配备的价钱优势[11]。

另一些复合隔阂则企图处理碱性电解槽的串气问题。AWE在制氢进程中，隔阂两边会因产气泛起压力不平衡的征象，若操控欠妥氢气会穿透隔阂与氧气搀杂，极端危险，因而在制氢进程中碍手碍脚举办压力管理。实际上正是此种需求，形成碱性电解槽难以适应波动性电源。部脱离膜制作商的思绪是，经过出产具有优异气体隔绝性的隔阂在物理上处理氢气渗漏，然后给予电解槽适应波动性动力的才能。

本质上，阴离子沟通膜电解槽走的正是隔阂晋级后的AWE蹊径。

碱性电解水制氢的高温化也是一种或许的晋级倾向。俭朴概括概括，高温、高压条件下运转，可有用宗族电解槽的运转功率。不过高温、高浓度的电解液会形成碱腐蚀问题，形成配备运用寿数下降，因而高温化需调配更耐腐蚀的材料；高压则带来了跋涉管理难度的增加。现在高温化仍处于实验室阶段。

海水制氢的研讨也不少见。滨海及海上的风电、太阳能资源对照扎实，且水资源几乎无限，是适当抱负的可再生动力就地制氢场所。现在的问题是，海水要素反常巨大，其间离子会与碱性溶液产生多种化学反映，严重影响制氢配备运转。只管在岸的净化海水后制氢的形式不必定会产生过多格外本钱，但离岸景象下彻底差异。在海上建立毕生的背离本钱很高，设备格外的淡化配备更会导致费用飙升，进一步下降本就不太好的经济性。开发能够直接电解海水的配备，也是研讨职工与企业的起劲倾向。

还有一种思绪，是针对操控跋涉举办优化，建立能够适应波动性电源的模子，在不晋级制氢配备的景象下经过晋级运转战略，阻挠一再启停，完结安定运转。

更俭朴直接的，是为可再生动力接入储能配备，直接在发电端平抑波动，再接入制氢产线。长处专横是能够完结项意图快速落地，缺点专横是会举高制氢本钱。

能够想见，若上文所述，以及未被提及的手工晋级能取得落地，则AWE制氢将很多接入极端廉价的动力，宗族经济性，为氢能工业夯实推行根底。进一步说，我国现在在碱性电解槽蹊径的自主性与手工堆集明显优于PEM蹊径。与其在不太长于的手工蹊径强行与国外企业张开昏暗，不如深耕强势范畴，也是一种非常常见的昏暗思绪。

质子沟通膜：国产化机遇

PEM制氢的焦点部件，质子沟通膜的景象加倍巨大。

干流的质子沟通膜是有机氟化工的结尾产品，具有特异性的质子传达成效，除制氢外，照样氢燃料电池，以及相同炽热的液流电池的要害部件。

与AWE制氢比较，我国在PEM制氢蹊径和国外先进水平存在必定距离。质子膜的手工壁垒较高，现在我国相对依靠进口，国产化率偏低，存在必定的卡脖子危险。当然，呼应的国产化机遇也加倍充分。叠加加倍广阔的运用空间、方针推进的需求增进，以及作为一种高手工含量产品的更高赢利空间，能够认为质子膜将是一个有望快速增进的商场。

本文以制氢配备为主视角，故下文不做格外阐明均默许特指电解槽用质子沟通膜

从根本原理看，PEM电解槽内电化学进程为：纯水经过进水通道进入催化层，在直流电源和催化剂的配合效果下，阳极产生氧气和氢离子，氢离子穿过质子沟通膜与阴极的电子连系产生氢气。PEM电解槽结构如下图所示，首要由双极板、多孔分散层、质子沟通膜、阴阳极催化层组成[5]。

图片根源：碳中和靠山下先进制氢原理与手工研讨期望[5]

燃料电池则为PEM电解槽的逆反映设备，电解槽将水电解为氢和氧，燃料电池则是以氢气和氧气作为阳极和阴极的反映物质，终究产出水和电能。

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图片根源：动力界[12]

只管电解槽与燃料电池都根据质子膜工作，且结构相似，但产品需求有差异，功能目标不一致，且终究产品的材料跋涉也很不一样，不能混为一谈。

电解槽的全体结构相对俭朴，但工况更恶劣，要求材料具有更高的运用寿数和耐久度，使得电解槽用膜较电池用膜更厚；燃料电池则从造车需求动身，质子膜需格外的改性处置举办增强，如戈尔公司就接收膨体聚四氟乙烯（ePTFE）作为增强材料，出产超薄质子膜，运用于丰田、现代和本田的燃料电池轿车[13]。

这解说在评价产品时，也需求连系具体的下流运用场景，而不能仅半响一家企业出产质子膜，就俭朴地认为其具有笼罩多个范畴的才能，这其间依然存在必定差异。

需求阐明，PEM电解槽的配备本钱是导致本钱太高的主因，质子沟通膜也是电解槽的焦点零件，但在制氢总本钱中的占比并不高（约为2.3%），国产化对降本效果并不杰出。国产化的首要含义除了商业机遇外，也是阻挠在要害环节遭到国外胁迫。

图片根源：IRENA[14]

质子沟通膜产品首要以氟含量区别，可分为全氟质子沟通膜、部分氟化聚合物质子沟通膜、非氟聚合物质子沟通膜、复合质子沟通膜四大类。其间以全氟磺酸质子沟通膜最为老练，概括功能*，商业化运用最为遍及。PEM电解槽所运用的正是全氟磺酸膜。

从工业链看，质子沟通膜上游是有机氟化工的单体材料，最干流的产品直接材料为全氟磺酸树脂材料，向上延伸至有机氟化工中的四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚等单体材料，向上溯源能够追溯至萤石、氟化氢、制冷剂等原材料[15]。

当时，质子沟通膜的出产工艺可分为熔融成膜法（熔融挤出法）和溶液成膜法两大类，其间溶液成膜法是当时取得遍及商业化运用的工艺。溶液成膜法还可进一步细分为溶液浇铸法、溶液流延法、溶胶-凝胶法，以溶液流延法为干流[15]。

受制于工艺上的缺少，现在各个范畴的质子沟通膜国产化率均不高，处在追逐阶段。

全球质子沟通膜产能根本上被国外独占。耐久以来全氟质子沟通膜出产首要会集在美日等繁荣国家，首要公司包含美国杜邦、陶氏、戈尔，日本旭硝子、旭化成等公司。质子膜范畴以杜邦的产品昏暗力最为杰出，手工堆集最为雄厚；燃料电池膜电极则由戈尔公司主导。国内方面，东岳集体为职业龙头，科润新材也有完结量产的质子膜产品。

质子膜从原材料制备阶段难度就对照大。全氟磺酸树脂是一种制备工艺反常巨大的物质，可谓氟化工工业链的手工*，其出产进程触及很多严苛反映条件、冗杂工艺、易爆危险品。若何出产化学安定性、机械强度、电化学功能等目标均知足下流需求的膜材料，就承揽对企业提出很高标准。质子膜成膜工艺更是有着很高难度，对配备、车间、产线管理均有严格要求。此外，受先发优势影响，日美等国企业在质子膜范畴把握很多要害专利，若何构建本身专业跋涉，绕过专业壁垒，也是国内企业面对的难题。

为追逐世界先进水平，本乡工业的人才、手工堆集以及满足的资源开销必不能少，绑架国外*企业也将给国内企业带来很大压力。我国制氢配备在质子沟通膜上遇到的窘境与光刻胶职业反常相似，源于我国在特种化学制品范畴的后发下风，添补这种下风需求时间。

从市占率看，在燃料电池质子沟通膜国产化率上，GGII数据显现，2020年国产膜电极质子沟通膜需求量为44000m2，其间国产质子沟通膜的商场占有率为7.5%，到2021上升至11.61%[17]。

PEM电解水制氢质子沟通膜商场规划较小，比例被科慕（原美国杜邦）Nafion™系列膜占有，2021年商场比例高达76%，国产质子沟通膜的商场占有率为21.45%。GGII调研显现，东岳集体子公司东岳未来氢能承揽完结部分客户前期运用验证，2021年转换国产化替换，商场占有率约为15% [17]。

2021年，我国商场液流电池质子沟通膜国产化率约为23.15%，首要出产企业为科润新材料和东岳未来氢能，其他国内企业液流电池质子沟通膜均处于送样验证阶段。国内商场仍以科慕的全氟磺酸树脂膜为主，市占率达75%[17]。

最终，只管在本节一转换咱们说到质子沟通膜具有很强的发展性，但这仅仅描摹其增进潜力，*的商场规划暂时还不是很大，未来的增进面对较多不确认性。

理论上氢能轿车应当是质子沟通膜用量*的职业。凭据中信证券测算，在2030年燃料电池轿车抵达100万辆的景象下，对应的质子沟通膜商场空间可达132亿元[15]。不过咱们照样要思量，燃料电池车增进前景并不是反常明晰，至少现在在昏暗力上远不及锂电池电动车，仅在商用车范畴有少数运用，且这种运用也多出于树模需求，不必定对电动商用车有抉择性优势。

PEM电解槽对应的质子膜商场对照有限。组织展望，到2025年的电解槽商场规划为350亿，以此测算，在本钱结构不产生大的改变，且PEM蹊径彻底占有商场的景象下，对应的质子膜商场约为17.5亿元，现真相形只或许远小于这一数字[18]。此外，工业出产对手工的先进与否历来没有多大爱好，若是PEM一直无法在本钱层面与AWE蹊径昏暗，那对整个制氢业而言，它都不会是*蹊径，商场比例也会更小。

全钒液流电池是较为炽热的液流电池手工蹊径之一，首要作为一种有潜力的长时储能手工遭到商场重视，2022年3月宣告的《“十四五”新式储能成长实施计划》就将百兆瓦级液流电池手工归入新式储能焦点手工配备攻关要点倾向之一 [19]。质子沟通膜，或称离子沟通膜（具体叫法与运用范畴有关），运用于电堆，起隔绝差异价态的钒离子以及让氢离子经过的效果。停手2022年10月尾，包含立案、开工、在建、中标、投标等的全钒液流电池项目规划算计已达1.3GW/5.4GWh。其间，承揽开工、中标和在建的项目算计跨过2.0GWh，估计将于2023年逐渐落地[20]。

不过当时的储能蹊径很多，尚无一个确认的胜出者，且差异储能场景所对应的手工挑选也或许差异，全钒液流电池的商业化仍存在较大不确认性。

除了上述运用场景之外，质子沟通膜还有一个出名度不高的下流，氯碱职业。更谨慎地说，应当是此种有机氟化膜作为离子膜，在氯碱职业取得遍及运用。离子膜法是现在氯碱职业——包含我国在内，最干流的出产工艺，具有耗电低、液碱浓度高、出产自动化水平高、环境污染少等长处，运用率接近100%[15]。全氟离子沟通膜为焦点材料，由全氟磺酸膜、全氟羧酸膜与聚四氟乙烯增强网布复合而成，相同依靠进口。半响氯碱是反常典型的高耗能职业，扩产极端难题，是标准的存量商场，需求相对可靠，组织预估纵然彻底完结国产替换，对应的规划仅为约4.5亿，未获遍及重视，也在情理之中[21]。

例行降温

在文章的最终，咱们照样要例行泼出一盆冷水。

氢能当然是好的，但它也很不老练。只管当下的动力工业有少数运用，作为一个职业，氢能远远撑不起它所描绘的愿景。

氢能的不老练的限制要素，不限于制氢环节，其它如储运，加注，具体商业化落地，配套设备背离，都存在这样或那样的问题。

但咱们看到的，却往往是部分企业、出资组织、乃至媒体，都将很多注重力、很多资源最开销倾泻在终端的燃料电池，却有意无意忽视了职业的跋涉性成长。这真实也不难理解，实际相较于其它环节，燃料电池最俭朴，途径也有迹可循——摸着锂电过河，并且梦想“投出下一个宁德颁发”的人生怕不在少数。

但是，很难幻想，没有遍及全国的电网以及老练的电池主材制备工艺的景象下，氢能有什么设备能随便造出宁德颁发级其他龙头。在缺少老练的工业链与成跋涉的工业结构前，对着某一个环节企图力大砖飞也不太实际。何况现在入局氢能的玩家中，有若干仅仅出于跟风、蹭抢手、压服出资人，乃至是为了骗补而进入氢能工业中的低手工门槛环节，想必读者有自己的判别。

更进一步，氢能也仅仅很多很有期望的蹊径之一。包围它具有如清洁、热值高级一系列长处，但现在全球的动力商场转型浪潮正值八仙过海，未来的干流手工蹊径有很大不确认性，暂时没有理由认为氢能必定能够胜出，成为未来商场的操纵力量。足智多谋饼画得有多大，至少现阶段也仅仅画的。

氢能当然有其起劲含义，但工业成长不太或许毕其功于一役。期望职业的介入者、推进者能更沉着的看待成长的客观纪律。急于求成和短视在许多时间是近义词，而脑筋一热最或许迎来的或许也仅仅商场的老拳。

References：

[1] 张锐：全球氢能开刊行使竞逐正酣. 世界商报. 2023.03.22. 我国石油新闻中心

[2] 俞琪：绿氢电解槽迎投标热潮！1-2月出货量已超上一年整年，这些上市公司结构相关经营. 财联社. 2023.03.19

[3] 俞红梅, 邵志刚, 侯明, 衣宝廉, 段方维, & 杨滢璇. (2021). 电解水制氢手工研讨期望与成长主张. 我国工程科学, 23(2), 146-152.

[4] 李建林, 李绚烂, 梁丹曦, & 马速良. (2021). “双碳意图” 下可再生动力制氢手工综述及前景展望. 分布式动力, 6(5), 1-9.

[5] 陈彬, 谢平和, 刘涛, 兰铖, 林魁武, & 章远. (2022). 碳中和靠山下先进制氢原理与手工研讨期望. 工程科学与手工, 54(1), 106-116.

[6] IEA：Global Hydrogen Review 2022. 2022.09

[7] 我国经济网：年产3300万吨！我国已整全国*制氢国. 2023.3.23

[8] 隆基新闻：2022年我国电解槽出货排名出炉，隆基氢能跻身全国前三. 2022.12.15

[9] 华安证券：乘风而起，电解槽手工掀起氢能浪潮. 2023.3.16

[10] 黄泽龙，赵丽妹，付毅飞：全球首台套单体产氢量2000Nm³/h水电解制氢配备乐成下线. 科技日报. 2022.12.16. 我国科技网.

[11]  彭博新动力财经：我国电解槽制作商：一窥实际. 2022.12.15.

[12] 动力界：氢燃料轿车是若何工作的？氢燃料是若何完结储运的?. 2019.1.22.

[13] 万年坊. (2022). 质子沟通膜水电解制氢膜电极研讨期望. 化工期望, 41(12), 6385-6394.

[14] IRENA：Green hydrogen cost reduction. 2020.12.

[15] 中信证券：氢能与燃料电池｜质子沟通膜百亿商场，国产化替换势在必行. 2022.4.16.

[16] 俞博文. (2021). 氢燃料电池质子沟通膜研讨现状及展望. 塑料工业.

[17]  新工业智库：GGII：质子沟通膜国产化替换空间讨论. 2022.5.16.

[18] 华鑫证券：氢能职业星斗大海，电解水制氢欣欣向荣. 2023.3.13

[19] 国家成长改造委，国家动力局：《“十四五”新式储能成长实施计划》.2022.03

[20 ] 北极星电池网：从小通明到储能新贵：全钒液流电池工业或迎春天.2023.3.16

[21] 并购优塾：质子沟通膜工业链盯梢：东岳集体 VS 泛亚微透 VS 东材科技，产品？手工？产能？. 2022.8.3