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

请务必阅读正文之后的免责条款部分 [Table_Main] [Table_Title] 产业研究月报 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 [Table_Author] 产业研究中心 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 [Table_DocReport] 往期回顾 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 产业深度 产业深度 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 of 12 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 p2 产业深度 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 of 12 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