中國目前是世界上最大的制氫國，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能約為2500萬t/a，其中煤制氫產(chǎn)能約1000萬t/a，占比最大，其次是工業(yè)副產(chǎn)氫約800萬t/a。化石能源重整制氫技術成熟、規(guī)模大、成本低，但CO₂排放量大。

煤制氫和天然氣制氫的二氧化碳排放對比

而近幾年的國際氫能發(fā)脹熱潮，與利用氫能降低碳排放、進一步發(fā)展可再生能源的愿景密切相關，顯然化石燃料制氫不能達到預期目標。氫氣作為能源載體，將在全球能源轉型中與電力互為補充。水電解制氫被認為是未來制氫的發(fā)展方向，特別是利用可再生能源電解水制氫，具備將大量可再生能源電力轉移到難以深度脫碳工業(yè)部門的潛力，成為各國瞄準的方向和攻關重點。

水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。

上游：能源電力與電解水制氫設備原材料，包括電解槽隔膜、電解液、正/負電極板等;

中游：電解水制氫設備及建設項目，其主要工藝包括ALK/PEM/AEM/SOEC;

下游：氫能儲運、燃料電池、工業(yè)應用、發(fā)電等應用領域。

水電解制氫產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈上游的參與者主要：金風科技、遠景能源、明陽智能、通威股份等能源電力供應商;東岳未來、科潤新材料、東材科技、浙江漢丞等制氫設備及材料的供應商。

產(chǎn)業(yè)鏈中游的參與者主要：寶豐能源、華能集團、陽光電源、中國石化等電解水制氫供應商。

產(chǎn)業(yè)鏈下游的參與者主要：國富氫能、氫楓能源、嘉化能源等氫能儲運供應商;億華通、國鴻氫能、重塑能源等燃料電池供應商。

產(chǎn)業(yè)鏈上下游主要參與者

2023年全球新建成電解水制氫產(chǎn)能約7.3萬噸/年，同比增長約204%。到2023年12月底，全球電解水制氫累計產(chǎn)能約達16.7萬噸/年。據(jù)預測，2024年累計產(chǎn)能將達21萬噸/年，2025年將達25萬噸/年。

2023年全球制氫電解槽新增裝機達653MW，同比增長176%。據(jù)預測，2024年全球制氫電解槽將進一步增長至803MW，2025年或將超過1000MW。

?2024年水電解制氫的區(qū)域分布主要集中在西北地區(qū)和華北地區(qū)，尤其是內(nèi)蒙古、河北、新疆、甘肅等地。?截至2024年，全國已有291個運行、在建和規(guī)劃的綠氫項目，基本覆蓋全國，但產(chǎn)能主要集中在內(nèi)蒙古、河北、新疆、甘肅等西北地區(qū)?。

根據(jù)中國電解水制氫行業(yè)競爭者的區(qū)域分布情況，東北部地區(qū)競爭者分布覆蓋范圍較為廣泛，但廣東省是電解水制氫企業(yè)數(shù)量最多的省市，其次為北京市、山東省和江蘇省。

2023年是中國綠氫產(chǎn)業(yè)爆發(fā)之年，也是中國電解槽需求新高之年。2023年1-12月中國電解水制氫設備公開招標需求規(guī)模超2000MW，已達到2022年全年出貨量的2倍有余。

據(jù)曼塔瑞統(tǒng)計，2024年以來，國內(nèi)完成電解槽招標的項目有能建松原（64000Nm3/h）、天楹遼源（56000Nm3/h）、俊瑞溫宿（40000Nm3/h）、大唐多倫（14000Nm3/h）、國華滄州（13000Nm3/h）、上海電氣洮南（8200Nm3/h）、吉電鹽城（8000Nm3/h）、達能膠州（4000Nm3/h）等，20MW以上項目完成招標的已超1GW，新疆天科隆4套2000Nm3/h電解槽尚在招標中，還有約2.3GW的綠氫項目蓄勢待發(fā)，正在籌備招標，電解槽招標已遠超過去年數(shù)據(jù)。

根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，目前市場上主要有堿性水電解（ALK）、質子交換膜純水電解（PEM）、陰離子交換膜水電解（AEM）和固體氧化物水電解（SOEC）四種技術路線。

水電解制氫主要技術

四種技術原理圖

堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。

• 優(yōu)點：堿性水電解制氫技術成熟，投資、運行成本低。

• 缺點：堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。

堿性電解槽制氫是較成熟的電解制氫技術，堿性電解槽安全可靠，壽命長達15年，已廣泛商業(yè)化使用。堿性電解槽工作效率一般為42%~78%。在過去幾年里，堿性電解槽主要取得兩方面進展，一方面，改進后的電解槽效率得到提高，降低了與用電有關的運營成本；另一方面，操作電流密度增加，投資成本降低。

在市場化進程方面，ALK作為最為成熟的電解技術占據(jù)著主導地位，尤其是一些大型項目的應用。我國ALK裝置的安裝總量為1500~2000套，多數(shù)用于電廠冷卻用氫的制備，國產(chǎn)設備的最大產(chǎn)氫量為1000Nm³/h。國內(nèi)代表性企業(yè)有中國船舶集團有限公司第七一八研究所、蘇州競立制氫設備有限公司、天津市大陸制氫設備有限公司等。

PEM制氫主要分為4個步驟：

1. 水在正極上發(fā)生水解反應（2H₂O=4H⁺4e^-+O₂）

2. 4H⁺穿過有序膜電極到達負極

3. 4e^-電子通過外電路由正極傳到負極

4. 到達負極后4H⁺+4e^-=2H₂生成氫氣

PEM電解水裝置由電解槽和輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽的核心部件包括雙極板、氣體擴散層、質子交換膜、陰極和陽極催化劑。

PEM水電解槽以PEM為電解質，以純水為反應物，加之PEM的氫氣滲透率較低，產(chǎn)生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣；電解槽采用零間距結構，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調(diào)控范圍大，氫氣輸出壓力可達數(shù)兆帕，適應快速變化的可再生能源電力輸入。與堿性水電解制氫相比，PEM水電解制氫工作電流密度更高（＞1A/cm²），總體效率更高（74%~87%），氫氣體積分數(shù)更高（>99.99%），產(chǎn)氣壓力更高（3~4 MPa），動態(tài)響應速度更快，能適應可再生能源發(fā)電的波動性。由于聚合物膜不耐高溫，電解槽操溫度常低于80℃。

區(qū)別于ALK堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學穩(wěn)定性、質子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質子交換膜作為固體電解質替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板。其中擴散層、催化層與質子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電化學反應的主場所，膜電極特性與結構直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。

注：電解槽沒有品牌之分，只有技術之分。

PEM水電解制氫技術具有“與可再生能源的耦合和高安全性”的特點：

• 與可再生能源耦合：堿性電解槽的動態(tài)輸入下限為10-40%，PEM電解槽為 0-10%。PEM電解槽負載范圍可達0-150%，生產(chǎn)速率可以在整個負載范圍內(nèi)發(fā)生變化，對輸入電源具有高度的靈活性和適應性，可維持可再生能源穩(wěn)定地輸入電網(wǎng)，使儲能應用更加靈活，與可再生能源耦合。而堿性制氫液電解響應速度慢，使其與間斷性可再生能源耦合困難。

  
  

• 高安全性：PEM電解水制氫選用具有良好化學穩(wěn)定性、質子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質子交換膜作為固體電解質，能有效阻止電子傳遞，在高壓下也能保證氫氣和氧氣被隔離到陰陽兩極而不外泄，提高電解槽安全性。

PEM制氫采用的是質子交換膜固體電解質，產(chǎn)生的氣體無需進行脫堿處理，且分子級微孔的離子膜厚度很小，不易產(chǎn)生氫反滲透。PEM型只需要純水，不需任何添加物，沒有腐蝕性液體，從而對壞境無污染，同時氣體純度也高；而傳統(tǒng)堿性電解液中需要添加15%NaOH或30%KOH，因此電解液腐蝕性強，易產(chǎn)生沖液污染負載管路。

PEM型的催化電極屬于分子級微孔，緊貼于離子膜兩邊及其內(nèi)部孔道間，是一種零極距催化電極，它的優(yōu)點是反應面積大，轉換效率高；而傳統(tǒng)堿性的電極間有小距離限制，極間電阻大，導致電流變大，發(fā)熱量高，轉換效率低。

PEM型的電解槽內(nèi)兩級室的集電器結構緊密且有彈性，從而使得電解槽重量輕、體積小，重量僅是相同產(chǎn)氫量的普通電解槽的1/3，優(yōu)點是零極距，槽內(nèi)阻??；而傳統(tǒng)堿性電解槽內(nèi)極室的集電器沒有彈性，從而電能熱損失高，轉換效率低。

PEM電解水制氫的系統(tǒng)響應速度快，適應動態(tài)操作，這非常適用于可再生能源如風能、太陽能輸電的不均勻性、間歇性、波動性。

從技術角度考慮，其采用的電解池結構緊湊、體積小、利于快速變載，電解槽效率高、得到的氣體純度高、所需能耗低，安全可靠性也同時得到大大提高，更適合可再生能源的波動性，因此，PEM水電解技術被譽為制氫領域極具發(fā)展前景的水電解制氫技術之一。

PEM電解制氫的優(yōu)點是響應速度快、在電力輸出極端條件下（低于20%負載或150%最大負載以內(nèi)）仍可正常使用?？紤]到可再生能源的輸出功率變化較大、處于低負載和高負載區(qū)間的時間較長的特點，因此在實際使用中使用PEM作為可再生能源電解儲氫的經(jīng)濟性在現(xiàn)有技術條件下反而可以超過堿性電解法制氫。

由于PEM電解槽需要在強酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運行，因此設備對于價格昂貴的金屬材料如銥、鉑、鈦等更為依賴，導致成本過高。這也是制約PEM制氫技術發(fā)展的瓶頸及研發(fā)攻克方向。

過去五年電解槽成本已下降了40%，但是投資和運行成本高仍然是PEM水電解制氫待解決的主要問題，這與目前析氧、析氫電催化劑只能選用貴金屬材料密切相關。為此降低催化劑與電解槽的材料成本，特別是陰、陽極電催化劑的貴金屬載量，提高電解槽的效率和壽命，是PEM水電解制氫技術發(fā)展的研究重點。

PEM電解槽的陽極處于強酸性環(huán)境（pH≈2）、電解電壓為1.4~2.0V，多數(shù)非貴金屬會腐蝕并可能與PEM中的磺酸根離子結合，進而降低PEM傳導質子的能力。當前的陽極銥催化劑載量在1mg/cm²量級，陰極Pt/C催化劑的Pt載量約為0.4~0.6 mg/cm²。Ru的電催化析氧活性高于Ir，但穩(wěn)定性差；通過與Ir形成穩(wěn)定合金可提高催化劑的活性與穩(wěn)定性。受限于PEM水電解制氫的酸性環(huán)境、陽極高電位、良好導電性等要求，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大，預計一定時期內(nèi)實際用于大規(guī)模電解槽的催化劑仍以Ir為主。未來降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發(fā)超低載量或有序化膜電極。

在PEM方面，目前常用的產(chǎn)品有科慕公司Nafion系列膜、陶氏化學XUS-B204膜、旭硝子株式會社Flemion系列膜、旭化成株式會社Aciplex-S系列膜等。

PEM電解水的陽極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕，應具有合適的孔洞結構以便氣體和水通過。受限于PEM電解水的反應條件，PEM燃料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無法用于水電解陽極。3M公司研發(fā)了納米結構薄膜（NSTF）電極，陰陽兩極分別采用Ir、Pt催化劑，載量均為 0.25mg/cm²；在酸性環(huán)境及高電位條件下可以穩(wěn)定工作，表面的棒狀陣列結構有利于提高催化劑的表面分散性。Proton公司采用直接噴霧沉積法來減少催化劑團聚現(xiàn)象，將載量0.1mg/cm²的Pt/C和Ir，載量0.1mg/cm²的IrO₂沉積在Nafion117膜上；單電解池的應用性能與傳統(tǒng)高催化劑載量電解池相似（1.8A·cm–2@2V），在2.3V電壓下穩(wěn)定工作500h。改善集流器的性能也可提高電解槽性能。

膜電極方面，在CCS法和CCM法基礎上，近年來新發(fā)展起來的電化學沉積法、超聲噴涂法以及轉印法成為研究熱點并具備應用潛力。新制備方法從多方向、多角度改進膜電極結構，克服傳統(tǒng)方法制備膜電極存在的催化層催化劑顆粒隨機堆放，氣體擴散層孔隙分布雜亂等結構缺陷，改善膜電極三相界面的傳質能力，提高貴金屬利用率，提升膜電極的電化學性能。

由于雙極板及流場占電解槽成本的比重較大，降低雙極板成本是控制電解槽成本的關鍵。在PEM電解槽陽極嚴苛的工作環(huán)境下，若雙極板被腐蝕將會導致金屬離子浸出，進而污染PEM，因此常用的雙極板保護措施是在表面制備一層防腐涂層。

目前，我國PEM電解水制氫技術正在經(jīng)歷從實驗室研發(fā)向市場化、規(guī)?；瘧玫碾A段變化，逐步開展示范工程建設，如中國科學院大連化學物理研究所、陽光電源股份有限公司共同建立的PEM電解水制氫聯(lián)合實驗室，針對PEM電解水技術產(chǎn)業(yè)化的關鍵問題，如廉價催化劑的活性與穩(wěn)定性、膜滲透性、膜電極結構等開展研究攻關；針對雙極板、擴散層等，發(fā)展高電流密度與高電壓條件下的廉價抗腐蝕鍍層技術，著力提高電解效率、降低綜合成本。

雖然我國氫能行業(yè)處于發(fā)展初期，但行業(yè)多板塊呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，膜電極板塊同樣獲得快速進步，不斷涌現(xiàn)出新的企業(yè)。降本增效作為新能源行業(yè)的重要目標一直為企業(yè)所追求，新產(chǎn)品、新技術應運而生，進而有力推動的發(fā)展。

總部位于湖南省株洲市，專業(yè)從事PEM水電解制氫電解槽、設備、系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)。公司技術源于中國載人航天，研發(fā)團隊歷經(jīng)30多年致力于技術的研發(fā)、測試、論證、升級。產(chǎn)品率先實現(xiàn)完全國產(chǎn)，技術達到國際領先水平?。

在2023年度發(fā)布了多款PEM制氫新品，提升了產(chǎn)品性能和結構設計，具有較強的市場競爭力?。

2024年2月28日-3月1日，清能股份亮相2024日本氫能展。其1MW的PEM電解槽憑借3.6-4.3kWh/Nm3H?優(yōu)秀能耗表現(xiàn)、0.223m3高度緊湊的體積，在展會中備受關注。期間，清能股份還重磅發(fā)布了在陰離子交換膜方面取得的重大技術突破，計劃在2024年開始向商業(yè)客戶提供兆瓦級AEM電解系統(tǒng)。

在PEM電解制氫領域活躍度較高，發(fā)布了多款新品，展示了其在技術上的不斷創(chuàng)新和進步?。

作為PEM電解制氫領域的領先企業(yè)之一，重塑能源在2023年度也有多款新品發(fā)布，進一步鞏固了其在市場上的地位?。

億華通在PEM電解制氫領域也有顯著貢獻，其產(chǎn)品和技術在行業(yè)內(nèi)具有較高的認可度?。

康明斯在2023年發(fā)布了其5MW PEM電解水制氫產(chǎn)品，該產(chǎn)品為單臺5MW的模塊化產(chǎn)品，制氫能力達到1000標方/小時，具有較高的市場關注度?。

2024年1月29日，康明斯Accelera全球首臺針對中國市場的本地化HyLYZER?-1000產(chǎn)品正式下線。該產(chǎn)品為單臺5MW的模塊化產(chǎn)品，制氫能力1000標方/小時，目前產(chǎn)品已經(jīng)完成實驗室測試，可實現(xiàn)5%的超低負荷運行能力，直接輸出氫氣純度可實現(xiàn)99.99%(不含氫氣純化，不含水狀態(tài))。23年4月底，該產(chǎn)品在位于廣東佛山的康明斯恩澤綠氫設備制造基地正式投產(chǎn)，于同年9月完成組裝并進入測試間的調(diào)試和研發(fā)驗證階段。

現(xiàn)代能源集團發(fā)布了全國首套PEM電解水制氫加氫一體機示范應用，展示了其在技術創(chuàng)新和實際應用方面的領先地位?。

2024年1月初，作為廣州市黃埔區(qū)國有專業(yè)化能源集團，現(xiàn)代能源集團牽頭完成了全國首套PEM電解水制氫加氫一體機，并進行示范應用。示范樣機的制氫能力為10Nm3/h，產(chǎn)氫壓力為1-4MPa，氫氣壓縮機排氣壓力為45MPa。該設備主要由制氫及純化系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成，氫氣純度滿足GB/T37244-2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》。整套裝備結構緊湊、隨制隨加、節(jié)能高效，可以靈活布置，滿足不同場景需求。

發(fā)布了300Nm3/h PEM電解槽新品，該電解槽在多個關鍵指標上趕超國際先進水平。

2024年2月28日，陽光氫能全球首發(fā)300Nm3/h PEM電解槽。該電解槽不僅突破了國內(nèi)PEM電解槽單槽產(chǎn)氫量，更在多個關鍵指標上趕超國際先進水平。該款PEM電解槽采用專利密封結構，工作壓力高達3.5MPa；獨創(chuàng)的一體化結構與多功能流場設計，使額定直流電耗低于4.15kwh/Nm3 H?；設備負荷調(diào)節(jié)范圍達5%-110%，負荷調(diào)節(jié)速率10%/s，在對動態(tài)性能調(diào)節(jié)要求更高的場景下，具有顯著優(yōu)勢。同時，它采用多梯度鍍層結構，耐腐蝕性更強，大大延長了電解槽的壽命。

賽克賽斯深耕PEM制氫領域，自主掌握了從質子膜、催化劑、膜電極到電堆和系統(tǒng)集成的全套核心工藝。在PEM制氫細分領域，公司多年市場占有率第一，產(chǎn)品已廣泛應用于高端實驗室、半導體、醫(yī)藥、電力、冶金、環(huán)保、化工、檢驗檢疫、人工鉆石等領域，并出口至30多個國家和地區(qū)。在能源領域，公司產(chǎn)品已在內(nèi)蒙古、陜西、天津、浙江、廣東等地的電廠和光伏、風電等新能源耦合儲能項目中落地，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

北京氫羿能源科技有限公司成立于2023年10月，聚焦PEM電解水制氫電解槽及配套系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品包括高效長壽命催化劑、高電密膜電極、單槽最高可達1-2MW電解槽、配套輔助系統(tǒng)等，可根據(jù)客戶需求提供完整的最佳的風電綠氫制取-綠氨/綠醇系統(tǒng)解決方案。

氫羿能源團隊核心人員在電解水制氫技術方面均有豐富的工業(yè)經(jīng)驗，由國內(nèi)少有的具備全套PEM電解水制氫完整技術的團隊創(chuàng)立，低貴金屬催化材料技術達到工業(yè)應用水平。公司技術經(jīng)過高達4000h的工業(yè)級PEM電解槽長時實況下運行成功驗證，可直接實現(xiàn)量產(chǎn)落地，在國內(nèi)最早突破并實現(xiàn)應用，各項性能和技術指標處于國內(nèi)領先水平。

PEM電解水制氫的系統(tǒng)響應速度快，適應動態(tài)操作的特點非常適用于可再生能源，如風能、太陽能發(fā)電的不均勻性、間歇性，未來應用優(yōu)勢明顯。相比于堿性電解槽，PEM電解槽由于設備成本過高，制氫成本相對較高，但隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，氫氣需求的增加，以及技術的進步，會帶來PEM電解槽成本的下降，疊加可再生能源電力成本的下降和產(chǎn)氫數(shù)量的增加，最終PEM電解槽制氫成本會低于堿性電解槽。由于其效率高、能耗少、響應快、負載高等優(yōu)勢，PEM電解槽將是未來可再生能源電解制氫的主流方向。