近日，上海氫銳科技有限公司正式發布了PEM制氫電解槽。

據了解，該系列高效PEM電解槽，已經實現了從5標方到250標方的批量制造，單槽最大產氫量250Nm3/h，采用115膜的電解槽在1.5A/cm2電密下能耗4.1度電產1標方氫氣，采用80微米膜增強膜的電解槽，在2A電密下，也是4.1度電產1標方氫氣。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電解槽的結構組成

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

與 ALK 電解槽相比，PEM 電解槽具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快等優勢，更適合與風光儲技術相結合。但是由于 PEM 電解槽需要在強酸和高氧化性的工作環境下運行，因此 PEM 電解槽對于貴金屬材料例如銥、鉑、鈦的依賴度更高，導致目前的 PEM電解槽設備造價較高。

PEM電解槽主要部件包括膜電極（質子交換膜、催化層、擴散層）、雙極板、環氧樹脂板和端板。其中，端板起固定電解池組件，引導電的傳遞與水、氣分配等作用；擴散層起集流，促進氣液的傳遞等作用；催化層的核心是由催化劑、電子傳導介質、質子傳導介質構成的三相界面，是電化學反應發生的核心場所；質子交換膜作為固體電解質，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子的作用。

成本構成占比

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，原因來自于國產化程度不高、嚴重依賴進口。

催化劑方面，開發高活性的催化劑，如含鉑催化劑是一大挑戰，因為我國鉑族金屬含量較少，而如何開發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，陽極擴散層、陽極催化劑、質子交換膜、陰極催化劑、陰極擴散層組成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性、化學穩定性和較低的電阻。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，這使得組件成本進一步增加，同時也需要開發更為合適的雙極板材料。氣體擴散層方面，目前幾乎依賴進口。目前主要集中在電解槽陽極側，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，由此需要對氣體擴散層的孔隙率和導電性更加優化，然而這又再一次增加了成本。

PEM電解水制氫系統設備成本

PEM電解水制氫系統由PEM電解槽+輔助系統（電源系統、氣液分離系統、純化系統等）組成。以海外1000標方（5MW）的PEM電解水制氫系統為例，售價4400萬元，成本3000-4000萬元，其中PEM電解槽占比60%：輔助系統中，電源系統占比50%、氣液分離系統+純化系統占比25%。

來源：產業觀察者、國泰君安研究所

PEM制氫系統每生產1標方氫氣需要4.5kwh，電價0.3元/kwh、年工作小時數3000h，PEM電解水制氫成本為31元/kg，其中電耗成本接近52%、設備成本占比48%。相比堿性，PEM的設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備折舊成本。

電流密度決定設備成本，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，系統電耗為4.4-5kwh/Nm3。

此外，PEM電解槽設備成本降低的另一大方面就是降低貴金屬催化劑銥載量。國內貴金屬產量不高，原材料嚴重依賴進口，導致成本大幅上漲。目前國內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；根據美國DOE目標，到2030年銥載量0.3mg/cm2。

除了以上兩大因素外，質子交換膜、鈦氈、鈦板以及BOP輔助系統的國產化和規模化也是PEM電解槽系統降本的重要途徑。

項目裝機情況

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

根據IEA數據，截至2023年10月底，全球已投產綠氫項目電解槽裝機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%。

預計到2030年，國內用氫需求量將達4500萬噸，若電解水制氫占比達15%，對應電解槽累計裝機量將達125GW。2030年，國內電解槽出貨量54GW，其中堿性電解槽36GW、PEM電解槽17GW，對應市場空間超1000億元。

現階段，國內綠氫項目考慮到整體的經濟回報率，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路線。但從項目的全生命周期角度來看，在同等產氫規模下，PEM電解槽的經濟性將會比較明顯。

出貨及招標情況

2023年被成為綠氫“元年”。有數據總結，2023年已落地投運的項目合計電解槽裝機量654MW，其中堿性電解槽裝機624MW，占比95%，PEM電解槽裝機30MW，占比5%。從中標情況來看，2023全年累計中標規模達到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勢較少，但從長期來看，PEM電解槽的降本空間巨大，未來應用占比將迅速擴大。

遠期來看，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，以及國產化替代帶來的設備成本下降疊加壽命延長帶來的均攤成本下降，兩者的降幅分別達到 94.2%和 57.8%。

2021年，中國的氫氣產量達到3300萬噸。據預測，到2030年，中國的氫氣年需求量將達到約3700萬噸，其中可再生能源制氫將達到約700萬噸。而到2060年，這一數字將增至1.0-1.3億噸，其中可再生能源制氫將達到0.75-1.0億噸。

從國內目前PEM電解水制氫項目進展來看，多數項目均以開工或投產， 項目大多為規模 1-2.5MW 的示范項目。2023 年國電投大安風光制綠氫一體化示范項目PEM 電解槽招標規模達到50MW，超過了其他11個項目規模總和，PEM 電解槽應用規模正在擴大。

國內制氫領域頭部企業均有涉及PEM制氫技術路線，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路線進而達到項目的最優效益，已經成本“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，抑或是技術還在發展階段的SOEC電解制氫和AEM陰離子電解槽制氫，四種制氫技術路線應用場景各有不同，其中也不乏有兩種技術路線共同參與的項目。雖然短期的制氫市場競爭略顯“無序”，但相信經過市場的考驗之后，各家的優劣也將顯明。