一场全球性的氢能军备竞赛已经最先。

随着风景电等可再生能源的快速生长和消纳需求，加上地域冲突引发的全新能源平安需求，氢能成了全球各国重点关注的能源载体。

本文中，我们将直接切入氢气生产的要害装备——电解槽的详细手艺蹊径，并在之后进一步聚焦其中最主要的焦点部件之一——隔膜及其生长趋势。

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，是指氢作为副产物，发生于其它工业生产历程中。但显而易见，以这种方式获取的氢气，不能能支持将之生长为一种能源载体，其产能完全不能控，也无法真正实现产业化。

化石燃料制氢，则是以煤或自然气作为质料生产氢气，工艺成熟且成本低，是现在最主要的制氢方式。该方式存在碳排放，不相符碳中和目的，不能作为支持氢能产业的生产工艺。

若辅以碳捕捉和网络手艺，以零排放生产的氢，就是蓝氢。该模式的问题是企业需要肩负大量分外成本，不够经济，且蓝氢本质上并未脱离化石燃料，没有基本问题。难怪连在排放问题上相当激进的德国都市称这一蹊径“令人疑心”。

电解水制氢在当下氢气生产结构中占比低，但受到全球能源行业的普遍关注。电解水制氢质料易得，生产历程不发生分外碳排放，契合双碳目的；氢能与当前全球局限内风电、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降低制氢能源成本，消纳绿电的能力也相符可再生能源产业需求，是能源转型趋势下的理想能源载体。现在全球制氢产业呈快速生长态势，在交通领域外的储能、工业生产（如炼钢）等行业，也被许多国家纳入生长设计、设定了响应的生长目的，已经成为能源产业生长偏向之一。

数据显示，住手2022年年底全球氢能领域的直接投资额近2500亿美元，而据国际氢能委员会展望，到2030年该投资总额将升至5000亿美元[1]。

在海内，有2022年3月出台由国家能源局团结印发的《氢能产业生长中耐久设计（2021-2035年）》，制订了行业的生长目的。而仅2023年1~2月，已公然招标电解槽的绿氢项目共8个，合计电解槽招标量达763.5MW，同比增进近3倍，已经跨越2022年海内电解槽出货量（近750MW）[2]。虽说招标量和出货量不完全可比，但整年的出货量增进，也只是能有多快的问题。

其它可再生能源制氢，如生物制氢、光剖析制氢等新兴手艺蹊径，由于成熟度很低，距离商业化还对照遥远，不做睁开讨论。

当前主要电解制氢手艺有4种，划分为：碱性电解制氢（alkaline water electrolysis，AWE）、阴离子交流膜电解（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，主要接纳PPS膜（聚苯硫醚）作为隔膜，在直流电的作用下，将水电解天生氢气和氧气，是当前最成熟、商业化水平最高、应用最为普遍的制氢手艺，也是当前氢能产业的*手艺蹊径。我们在前文提到，2023年前两个月的电解槽招标量就已跨越2022年的整年出货量，这些电解槽就所有是碱性电解槽。AWE手艺的优势在于成本友好，操作简朴，装备使用寿命长，工艺成熟，单台装备产能高，且国产化率高，国产装备已达国际*水平。该蹊径的缺陷是装备体积大，需要更大园地；*能量效率显著低于其他手艺蹊径；由于反映历程涉及碱性溶液，存在一定侵蚀性，需要维护装备。AWE最突出的瑕玷是因部门生产环节的特征导致装备响应速率慢，无法快速启停，制氢速率难以调治，不顺应颠簸性强的电源，换言之就是难以配合风电与光伏等可再生能源。

阴离子交流膜电解制氢：AEM是针对AWE缺陷开发的制备工艺。装备接纳阴离子交流膜作隔膜，以纯水或弱碱液为电解质，可实现OH-从阴极到阳极的转运。该手艺成本较低，且隔膜兼具优越的气密性、稳固性和低电阻性，能够配合非贵金属催化剂实现高电导率和大电流密度，且可缓解AWE的串气问题，是AWE可能的改善方案之一。其瑕玷是离子电导率低、高温稳固性差，需进一步研究开发高效稳固的隔膜及适配的高性能催化剂。AEM现阶段的手艺成熟度在四条蹊径里*，仍在实验室研发阶段。

质子膜电解制氢：PEM以高分子聚合物质子交流膜替换了碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，直接剖析纯水，被视为有望取代AWE的下一代制氢手艺，已经在一些国家实现开端商业化。PEM的优势在于装备体积小，效率高，制得氢气纯度高，且响应速率快，能够顺应可再生能源颠簸大的特征，很适合介入电网负载调控。PEM的缺陷在于装备寿命一样平常，对水质要求更高，导致质料供应难度升高，单装备产能远不及AWE蹊径；现在焦点的质子膜被外洋企业掌控，国产化率低的风险也不容忽视。PEM最突出的问题在于异常昂贵，催化剂大量使用铂等贵金属，装备成本甚至可达AWE蹊径的3~5倍，不够经济，过高的成本甚至导致部门国家为尽快实现大规模生产而转向AWE蹊径。

固体氧化物电解水制氢：SOEC接纳固态氧化物作电解质，在700~1000摄氏度的高温环境下，混有少量氢气的水蒸气从阴极进入，在阴极发生电解反映剖析成H2和O2-，O2-通过电解质层到达阳极，在阳极失去电子天生O2。SOEC在电解器件设计和事情条件方面与前文制氢手艺区别显著，优势在于能量效率显著高于AWE和PEM，可达90%以上，但手艺成熟度低，尚不具备商业化条件，现在处于开端树模阶段。

市场方面，我国是全球*的氢生产国，也是*的电解槽装备制造国。固然，现阶段的氢并不作为能源载体存在，而是一种工业质料，普遍用于炼油、合成氨、合成甲醇、炼钢等。

国际能源署统计显示，2021年全球氢气产能约为9400万吨；海内产量约为3300万吨[6][7]。不外全球氢气供应主要由化石燃料重整制得，会发生大量碳排放，并不清洁。这意味着连系双碳目的，纵然不把氢气视为一种燃料，电解水制氢也有替换时机与商业化场景，不必将视角局限在氢能行业。

凭证《中国氢能与燃料电池产业年度蓝皮书（2022）》，2022年全球电解槽市场出货量到达1GW ，中国电解槽总出货量跨越800MW，同比增进129%以上，全球占比跨越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装备厂商划分为：考克利尔竞立、中船派瑞氢能、隆基氢能。其中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：成熟的魅力

AWE电解槽能获得市场的青睐不难明白。手艺成熟、成本低廉从来都是工业生产最为喜欢的特质。

图片泉源：碳中和靠山下先进制氢原理与手艺研究希望[5]

作为一项历史跨越一个世纪的手艺，AWE蹊径现在的产业成熟与国产化水平都已经很高，通过优化妆备实现降本的空间虽然还在，但效果不会稀奇突出，这与装备成本居高不下的PEM蹊径十分差异。碱性电解槽当前的焦点降本逻辑已经进入追求规模化效应摊薄成本的阶段，其典型显示就是装备越来越大，单槽产能1000Nm³/h基本已成标配，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]。

除了规模化效应，AWE的制备手艺上也有提升空间。

首先就是针对焦点部件——隔膜的升级。现在，装备制造商正在由传统的PPS膜转向综合性能更优的复合隔膜。

一些复合隔膜专注于提高AWE的能量行使率。BloombergNEF数据显示，一些复合隔膜可将能量效率提高4%，且国产膜的成本可能仅为欧洲的30%左右，可有用延续国产装备的价钱优势[11]。

另一些复合隔膜则试图解决碱性电解槽的串气问题。AWE在制氢历程中，隔膜双方会因产气泛起压力不平衡的征象，若控制欠妥氢气会穿透隔膜与氧气夹杂，极其危险，因此在制氢历程中必须举行压力治理。现实上正是此种需求，造成碱性电解槽难以顺应颠簸性电源。部脱离膜制造商的思绪是，通过生产具有优异气体阻隔性的隔膜在物理上解决氢气渗漏，从而给予电解槽顺应颠簸性能源的能力。

本质上，阴离子交流膜电解槽走的正是隔膜升级后的AWE蹊径。

碱性电解水制氢的高温化也是一种可能的升级偏向。简朴归纳综合，高温、高压条件下运行，可有用提升电解槽的运行效率。不外高温、高浓度的电解液会造成碱侵蚀问题，造成装备使用寿命下降，因此高温化需搭配更耐侵蚀的质料；高压则带来了系统治理难度的增添。现在高温化仍处于实验室阶段。

海水制氢的研究也不少见。沿海及海上的风电、太阳能资源对照厚实，且水资源险些无限，是相当理想的可再生能源就地制氢场所。现在的问题是，海水因素异常庞大，其中离子会与碱性溶液发生多种化学反映，严重影响制氢装备运行。只管在岸的净化海水后制氢的模式纷歧定会发生过多分外成本，但离岸情形下完全差异。在海上搭建平台的建设成本很高，安装分外的淡化妆备更会导致用度飙升，进一步降低本就不太好的经济性。开发能够直接电解海水的装备，也是研究职员与企业的起劲偏向。

另有一种思绪，是针对控制系统举行优化，确立能够顺应颠簸性电源的模子，在不升级制氢装备的情形下通过升级运行战略，阻止频频启停，实现稳固运行。

更简朴直接的，是为可再生能源接入储能装备，直接在发电端平抑颠簸，再接入制氢产线。优点自然是可以实现项目的快速落地，缺陷自然是会抬高制氢成本。

可以想见，若上文所述，以及未被提及的手艺升级能获得落地，则AWE制氢将大量接入极其廉价的能源，提升经济性，为氢能产业夯实推广基础。进一步说，我国现在在碱性电解槽蹊径的自主性与手艺积累显著优于PEM蹊径。与其在不太善于的手艺蹊径强行与外洋企业睁开竞争，不如深耕强势领域，也是一种十分常见的竞争思绪。

质子交流膜：国产化时机

PEM制氢的焦点部件，质子交流膜的情形加倍庞大。

主流的质子交流膜是有机氟化工的末尾产物，具备特异性的质子转达功效，除制氢外，照样氢燃料电池，以及同样火热的液流电池的要害部件。

与AWE制氢相比，我国在PEM制氢蹊径和外洋先进水平存在一定差距。质子膜的手艺壁垒较高，现在我国相对依赖入口，国产化率偏低，存在一定的卡脖子风险。固然，响应的国产化时机也加倍充实。叠加加倍广漠的应用空间、政策推动的需求增进，以及作为一种高手艺含量产物的更高利润空间，可以以为质子膜将是一个有望快速增进的市场。

本文以制氢装备为主视角，故下文不做分外说明均默认特指电解槽用质子交流膜

从基本原理看，PEM电解槽内电化学历程为：纯水通过进水通道进入催化层，在直流电源和催化剂的配互助用下，阳极发生氧气和氢离子，氢离子穿过质子交流膜与阴极的电子连系发生氢气。PEM电解槽结构如下图所示，主要由双极板、多孔扩散层、质子交流膜、阴阳极催化层组成[5]。

图片泉源：碳中和靠山下先进制氢原理与手艺研究希望[5]

燃料电池则为PEM电解槽的逆反映装置，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，最终产出水和电能。

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图片泉源：能源界[12]

只管电解槽与燃料电池都基于质子膜事情，且结构类似，但产物需求有差异，性能指标纷歧致，且最终产物的质料系统也很纷歧样，不能一概而论。

电解槽的整体结构相对简朴，但工况更恶劣，要求质料具备更高的使用寿命和耐久度，使得电解槽用膜较电池用膜更厚；燃料电池则从造车需求出发，质子膜需分外的改性处置举行增强，如戈尔公司就接纳膨体聚四氟乙烯（ePTFE）作为增强质料，生产超薄质子膜，应用于丰田、现代和本田的燃料电池汽车[13]。

这解释在评估产物时，也需要连系详细的下游应用场景，而不能仅由于一家企业生产质子膜，就简朴地以为其具备笼罩多个领域的能力，这其中仍然存在一定区别。

需要说明，PEM电解槽的装备成本是导致成本太高的主因，质子交流膜也是电解槽的焦点零件，但在制氢总成本中的占比并不高（约为2.3%），国产化对降本作用并不突出。国产化的主要意义除了商业时机外，也是阻止在要害环节遭到外洋钳制。

图片泉源：IRENA[14]

质子交流膜产物主要以氟含量区分，可分为全氟质子交流膜、部门氟化聚合物质子交流膜、非氟聚合物质子交流膜、复合质子交流膜四大类。其中以全氟磺酸质子交流膜最为成熟，综合性能*，商业化应用最为普遍。PEM电解槽所使用的正是全氟磺酸膜。

从产业链看，质子交流膜上游是有机氟化工的单体质料，最主流的产物直接质料为全氟磺酸树脂质料，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质料，向上溯源可以追溯至萤石、氟化氢、制冷剂等原质料[15]。

当前，质子交流膜的生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，其中溶液成膜法是当前获得普遍商业化应用的工艺。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，以溶液流延法为主流[15]。

受制于工艺上的不足，现在各个领域的质子交流膜国产化率均不高，处在追赶阶段。

全球质子交流膜产能基本上被外洋垄断。耐久以来全氟质子交流膜生产主要集中在美日等蓬勃国家，主要公司包罗美国杜邦、陶氏、戈尔，日本旭硝子、旭化成等公司。质子膜领域以杜邦的产物竞争力最为突出，手艺积累最为雄厚；燃料电池膜电极则由戈尔公司主导。海内方面，东岳团体为行业龙头，科润新材也有实现量产的质子膜产物。

质子膜从原质料制备阶段难度就对照大。全氟磺酸树脂是一种制备工艺异常庞大的物质，堪称氟化工产业链的手艺*，其生产历程涉及大量苛刻反映条件、繁杂工艺、易爆危险品。若何生产化学稳固性、机械强度、电化学性能等指标均知足下游需求的膜质料，就已经对企业提出很高尺度。质子膜成膜工艺更是有着很高难度，对装备、车间、产线治理均有严酷要求。此外，受先发优势影响，日美等国企业在质子膜领域掌握大量要害专利，若何构建自身专业系统，绕过专业壁垒，也是海内企业面临的难题。

为追赶国际先进水平，本土产业的人才、手艺积累以及足够的资源支出必不能少，同时外洋*企业也将给海内企业带来很大压力。我国制氢装备在质子交流膜上遇到的逆境与光刻胶行业异常类似，源于我国在特种化学制品领域的后发劣势，填补这种劣势需要时间。

从市占率看，在燃料电池质子交流膜国产化率上，GGII数据显示，2020年国产膜电极质子交流膜需求量为44000m2，其中国产质子交流膜的市场占有率为7.5%，到2021上升至11.61%[17]。

PEM电解水制氢质子交流膜市场规模较小，份额被科慕（原美国杜邦）Nafion™系列膜占有，2021年市场份额高达76%，国产质子交流膜的市场占有率为21.45%。GGII调研显示，东岳团体子公司东岳未来氢能已经完成部门客户前期应用验证，2021年最先国产化替换，市场占有率约为15% [17]。

2021年，中国市场液流电池质子交流膜国产化率约为23.15%，主要生产企业为科润新质料和东岳未来氢能，其余海内企业液流电池质子交流膜均处于送样验证阶段。海内市场仍以科慕的全氟磺酸树脂膜为主，市占率达75%[17]。

最后，只管在本节一最先我们提到质子交流膜具备很强的发展性，但这只是形貌其增进潜力，*的市场规模暂时还不是很大，未来的增进面临较多不确定性。

理论上氢能汽车应当是质子交流膜用量*的行业。凭证中信证券测算，在2030年燃料电池汽车到达100万辆的情形下，对应的质子交流膜市场空间可达132亿元[15]。不外我们照样要思量，燃料电池车增进远景并不是异常清晰，至少现在在竞争力上远不及锂电池电动车，仅在商用车领域有少量应用，且这种应用也多出于树模需要，纷歧定对电动商用车有决议性优势。

PEM电解槽对应的质子膜市场对照有限。机构展望，到2025年的电解槽市场规模为350亿，以此测算，在成本结构不发生大的转变，且PEM蹊径完全占有市场的情形下，对应的质子膜市场约为17.5亿元，现真相形只可能远小于这一数字[18]。此外，工业生产对手艺的先进与否向来没有多大兴趣，若是PEM始终无法在成本层面与AWE蹊径竞争，那对整个制氢业而言，它都不会是*蹊径，市场份额也会更小。

全钒液流电池是较为火热的液流电池手艺蹊径之一，主要作为一种有潜力的长时储能手艺受到市场关注，2022年3月宣布的《“十四五”新型储能生长实行方案》就将百兆瓦级液流电池手艺纳入新型储能焦点手艺装备攻关重点偏向之一 [19]。质子交流膜，或称离子交流膜（详细叫法与应用领域有关），应用于电堆，起阻隔差异价态的钒离子以及让氢离子通过的作用。住手2022年10月尾，包罗立案、开工、在建、中标、招标等的全钒液流电池项目规模合计已达1.3GW/5.4GWh。其中，已经开工、中标和在建的项目合计跨越2.0GWh，预计将于2023年逐步落地[20]。

不外当前的储能蹊径众多，尚无一个确定的胜出者，且差异储能场景所对应的手艺选择也可能差异，全钒液流电池的商业化仍存在较大不确定性。

除了上述应用场景之外，质子交流膜另有一个着名度不高的下游，氯碱行业。更严谨地说，应当是此种有机氟化膜作为离子膜，在氯碱行业获得普遍应用。离子膜法是现在氯碱行业——包罗我国在内，最主流的生产工艺，具备耗电低、液碱浓度高、生产自动化水平高、环境污染少等优点，使用率靠近100%[15]。全氟离子交流膜为焦点质料，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，同样依赖入口。由于氯碱是异常典型的高耗能行业，扩产极其难题，是尺度的存量市场，需求相对牢靠，机构预估纵然完全实现国产替换，对应的规模仅为约4.5亿，未获普遍关注，也在情理之中[21]。

例行降温

在文章的最后，我们照样要例行泼出一盆冷水。

氢能固然是好的，但它也很不成熟。只管当下的能源产业有少量应用，作为一个行业，氢能远远撑不起它所描绘的愿景。

氢能的不成熟的制约因素，不限于制氢环节，其它如储运，加注，详细商业化落地，配套设施建设，都存在这样或那样的问题。

但我们看到的，却往往是部门企业、投资机构、甚至媒体，都将大量注重力、大量资源最支出倾注在终端的燃料电池，却有意无意忽视了行业的系统性生长。这实在也不难明白，事实相较于其它环节，燃料电池最简朴，路径也有迹可循——摸着锂电过河，而且妄想“投出下一个宁德时代”的人生怕不在少数。

然而，很难想象，没有遍布天下的电网以及成熟的电池主材制备工艺的情形下，氢能有什么设施能凭空造出宁德时代级其余龙头。在缺乏成熟的产业链与成系统的产业结构前，对着某一个环节试图力大砖飞也不太现实。况且现在入局氢能的玩家中，有若干只是出于跟风、蹭热门、说服投资人，甚至是为了骗补而进入氢能产业中的低手艺门槛环节，想必读者有自己的判断。

更进一步，氢能也只是众多很有希望的蹊径之一。虽然它具有如清洁、热值高等一系列优点，但现在全球的能源市场转型浪潮正值八仙过海，未来的主流手艺蹊径有很大不确定性，暂时没有理由以为氢能一定可以胜出，成为未来市场的主宰气力。无论饼画得有多大，至少现阶段也只是画的。

氢能固然有其起劲意义，但产业生长不太可能毕其功于一役。希望行业的介入者、推动者能更理智的看待生长的客观纪律。急功近利和短视在许多时刻是同义词，而头脑一热最可能迎来的也许也只是市场的老拳。

References：

[1] 张锐：全球氢能开刊行使竞逐正酣. 国际商报. 2023.03.22. 中国石油新闻中央

[2] 俞琪：绿氢电解槽迎招标热潮！1-2月出货量已超去年整年，这些上市公司结构相关营业. 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). 电解水制氢手艺研究希望与生长建议. 中国工程科学, 23(2), 146-152.

[4] 李建林, 李绚烂, 梁丹曦, & 马速良. (2021). “双碳目的” 下可再生能源制氢手艺综述及远景展望. 漫衍式能源, 6(5), 1-9.

[5] 陈彬, 谢和平, 刘涛, 兰铖, 林魁武, & 章远. (2022). 碳中和靠山下先进制氢原理与手艺研究希望. 工程科学与手艺, 54(1), 106-116.

[6] IEA：Global Hydrogen Review 2022. 2022.09

[7] 中国经济网：年产3300万吨！我国已整天下*制氢国. 2023.3.23

[8] 隆基新闻：2022年中国电解槽出货排名出炉，隆基氢能跻身天下前三. 2022.12.15

[9] 华安证券：乘风而起，电解槽手艺掀起氢能浪潮. 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水电解制氢装备乐成下线. 科技日报. 2022.12.16. 中国科技网.

[11]  彭博新能源财经：中国电解槽制造商：一窥事实. 2022.12.15.

[12] 能源界：氢燃料汽车是若何事情的？氢燃料是若何实现储运的?. 2019.1.22.

[13] 万年坊. (2022). 质子交流膜水电解制氢膜电极研究希望. 化工希望, 41(12), 6385-6394.

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

[15] 中信证券：氢能与燃料电池｜质子交流膜百亿市场，国产化替换势在必行. 2022.4.16.

[16] 俞博文. (2021). 氢燃料电池质子交流膜研究现状及展望. 塑料工业.

[17]  新产业智库：GGII：质子交流膜国产化替换空间探讨. 2022.5.16.

[18] 华鑫证券：氢能行业星辰大海，电解水制氢蒸蒸日上. 2023.3.13

[19] 国家生长改造委，国家能源局：《“十四五”新型储能生长实行方案》.2022.03

[20 ] 北极星电池网：从小透明到储能新贵：全钒液流电池产业或迎春天.2023.3.16

[21] 并购优塾：质子交流膜产业链跟踪：东岳团体 VS 泛亚微透 VS 东材科技，产物？手艺？产能？. 2022.8.3