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山云笔记：千亿制氢，鹿死谁手？——四大制氢技术路线对比丨新能源小组
氢是最理想的能源载体
氢元素质量占到宇宙75%，并且有广谱适用性，可做燃料、化工原料、能源载体，这就决定了我们既需要用氢来生产关键化工产品（合成氨、合成甲醇、炼油），也需要用氢作为动力来源（理论成本最低），还需要用氢来储存已获取但暂时用不上的能量（风光电储能，核聚变燃料）。从化石能源转向终极的可控核聚变会经历一段长期的演变，这个过程中氢将在每个阶段都发挥到重要作用。
目前中国以化石燃料制氢为主，但这种方法并不环保，因为会伴生大量二氧化碳的释放，产出的氢气称为“灰氢”，目前灰氢占所有氢气产量的95%；另一种绝对环保的方法是电解水制氢，完全没有碳排放、且可持续，非常适用于结合风光互补与日间储能的长周期储能需求。电解水制氢有四大技术路径，分别为碱性（ALK/AEC）、质子交换膜（PEM）、固体氧化物（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）。
1、ALK /AEC碱性电解槽
产业成熟度：碱性电解技术是电解水制氢的主流技术，已经完成规模产业化并在快速发展，电解槽技术是所有路线中最成熟的，也是成本最低的，但关键部件隔膜、电极、催化剂仍有很大的技术革新和降本的空间； 市场规模：2022年中国电解槽总出货量800MW左右，其中ALK/AEC为776MW，占比97%。PEM为24MW; 技术特点：系统效率51-60%，负荷弹性20-100%，电流密度0.25-0.45A/cm2，热启动时间1-5分钟，冷启动时间1小时，电堆寿命最长可达120000小时，投资成本最低，为3000-6000元/kw。商业化规格一般为5MW，最大单槽已达7.5MW。无需贵金属催化剂; 应用场景：由于成本低、寿命长、规模大，非常合适大规模工业化制氢; 发展瓶颈：由于目前的动载性能较弱、电流密度一般，不太适用于电网调幅与便携制氢。国内的隔膜材质还多用PPS，厚度较欧美常用的复合隔膜更厚，且面电阻较高；国内的电极主要以纯镍网为主，尚未导入泡沫镍和镍系合金；国内的催化剂也处于早期阶段。
2、PEM 质子交换膜电解槽
产业成熟度：质子交换膜技术是电解水制氢的新兴技术，尚处于商业化早期阶段，成本很高，关键部件质子膜、双极板、催化剂仍主要依靠进口，但近几年技术进步和零部件国产化的进程在持续加速; 市场规模：2022年中国电解槽总出货量800MW左右，其中PEM接近24MW，占比不到3%; 技术特点：系统效率46-60%，负荷弹性0-120%，电流密度1-2A/cm2，热启动时间只需不到5秒，冷启动时间5-10分钟，电堆寿命最长100000小时，投资成本较高，为8000-13800元/kw。商业化规格一般为1MW ; 应用场景：由于在各指标上表现很均衡，且启动时间短、负荷弹性高、电流密度高，适合电网调幅与便携制氢等动态负载场景; 发展瓶颈：成本过高，即便是理论成本下限也比碱水电解槽高很多，原因是质子交换膜、催化剂的原料成本较高，并且国产化率较低。质子交换膜主要是用全氟磺酸膜，合成和磺化难度都很高，工作温度超过90度导电性就会急剧下降，限制反应速度且产生催化剂中毒。
3、SOEC 固体氧化物制氢
产业成熟度：很早期，尚处在示范项目阶段，很多技术尚未成熟，未达到应用验证阶段; 市场规模：目前很小; 技术特点：系统效率76-81%，负荷弹性0-100%，电流密度0.2-1A/cm2，热启动时间15分钟，冷启动时间几小时，电堆寿命最长20000小时，投资成本较高，>15000元/kw。目前商业化规格一般为10KW ; 应用场景：效率是四种技术路线中最高的，热机状态动载性能极佳，还可双向工作，非常适合核电制氢和大规模热电联供; 发展瓶颈：工作温度过高，达到700-900度，且设备投资很高，目前难以在工业制氢、电网调幅等领域与前两个技术竞争。
4、AEM 阴离子交换膜
产业成熟度：很早期，尚处在实验室和示范项目阶段，很多技术尚未成熟，未达到应用验证阶段；
市场规模：目前很小；
技术特点：理论效率62-82%，负荷弹性3-105%，电流密度0.8-2.1A/cm2，电堆寿命最长35000小时，理论成本较低，目前单模组产率很低；
应用场景：效率高，工作温度较低（70-80度），电流密度较高，可以用非金属催化剂，理论成本较低；
发展瓶颈：尚处于研发阶段。
ALK与PEM之争、鹿死谁手？
目前制氢产业化的竞争集中在已经跳出实验室的两个技术路线ALK（碱水）和PEM（质子交换膜）中。PEM因为其技术指标的全面性，效率高、较好的环保效应（用纯水做原料）、较高的电流密度、响应速度快等特点被看好，但由于其需要在强酸性和高氧化性环境下工作，高度依赖贵金属材料如铂、钛、铱，导致成本高昂，更为糟糕的是铂系金属的储量是极其有限的，无法支撑其未来庞大的制氢需求量。碱水制氢虽然由于电流密度低、响应速度慢的问题饱受争议，但其成本低、寿命长、单槽规模大的优点使其成为典型的“经济适用男”，产业化进程一直在高速推进。历史上很多案例可以证明，当科技女神落入凡间，没有最好只有最适用。
2、应用选型和应用设计往往比攻克材料更容易实现突破
PEM电解槽的质子交换膜厚度在150-200微米，加工过程中非常容易膨胀变形，溶胀率很高，加工难度高；另外，上面也提到，质子交换膜主要是用全氟磺酸膜，合成和磺化难度都很高，工作温度超过90度导电性就会急剧下降，限制反应速度且产生催化剂中毒。所以目前还主要被国外的杜邦公司垄断（Nafion膜），国内仅有东岳、科润有能力生产且处于早期阶段。相较而言，ALK电解槽的电流密度低的问题可以通过改变电极材料（镍合金、泡沫镍等）、改变隔膜材料（复合材料）被极大改善，冷启动时间长则可以通过多模组共热、轮替开机的方式保持热启动状态，大大提高响应速度。
3、技术的产业化先发优势不可忽视
当制造业的一个技术路线产业化成熟，形成了庞大的上下游生态链，另外一个技术路线就很难将其取代，除非其存在碾压性的优势。因为一个技术路线占据主流就意味着更大的规模、更低的制造成本、更多的参与者、更优秀的人才、更高效的研发和更多社会维度的利益关系。在这个800MW的市场中，碱水电解槽目前97%的市占率可以表明其已经有一只脚踏在了先发优势的壁垒上。
综上，小芸认为ALK碱水电解槽制氢技术目前是、未来10-15年内也大概率是制氢领域的绝对主流，电解槽以及核心部件-隔膜、电极、催化剂厂商也将创造出巨大的价值。
ALK行业关键技术厂商
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