氢能“卡脖子”到底“卡”在哪?论制氢市场中的“内卷”之战

　　自“碳达峰碳中和”的目标提出以来，以可再生能源为中心的新能源产业加紧布局，为我国能源结构的转型升级助力。双碳目标催促我国新能源体系的加快构建，更催促了氢能产业加紧跑马圈地的步伐。

　　从制氢端到储运端再到应用端，氢能产业规模庞大且繁杂。作为最为清洁的二次能源，氢气虽然广泛存在于宇宙之中却只能通过制取才能获取。基于这一“难题”，氢能在发展过程中备受掣肘。

　　在制氢方面，目前国内已经开始走入市场化尝试和规模化示范应用阶段。氢气大致分为煤制氢(灰氢)、天然气重整制氢(蓝氢)以及风光发电电解水制氢(绿氢)三种，其中绿氢被视为最低碳环保、未来发展前景最为广阔的制氢方式。

　　2023年被称为“绿氢元年”，进入今年，各地区加紧布局风光制氢项目，制氢厂商开始进入“内卷”模式，制氢市场比拼异常火热。电解水制氢方式分别有碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)、阴离子交换膜制氢(AEM)以及高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)四种技术路线，目前市场主流技术是碱性电解水制氢(ALK)，原因在于碱液电解制氢相对成本更低，技术度更为成熟。

　　今年上半年，吉林大安风光制氢合成氨一体化项目共招标39套碱性电解水制氢设备，后又从长春绿动氢能订购近3亿元PEM制氢设备。该项目是全国最大的绿氢合成氨项目，同时采用ALK制氢方式和PEM方式，为吉林省打造中国“北方氢谷”助力。今年6月30日，国内首个万吨级光伏制氢项目——新疆库车光伏制氢示范项目正式全部投产，该项目共配套52台套1000Nm³/h碱性电解槽，该项目为国内制氢项目起到了良好的示范作用，电解水制氢能力2万吨/年、储氢能力21万标立方、输氢能力2.8万标立方每小时。

　　但仍不可忽视的是，制氢市场的竞争尤为激烈。国内目前已经生产出2000Nm³/h的碱性电解槽，1500Nm³/h和1000Nm³/h已经非常常见。可以说，“制氢量”是各家制氢设备企业的一大竞争热点。一方面，国内制氢市场开始追逐单台套制氢电解槽更大的制氢量，这对技术提出了更高要求;另一方面，制氢电解槽的成本问题仍需再降，然而目前已经出现了在投标过程中“胡乱报价”的行为。

　　目前，国内1000Nm³/h制氢能力的单台碱性电解槽价格在700万-1000万元之间。根据中石化新疆库车绿氢示范项目招标统计，苏州竞立、隆基氢能及中船718所对碱性电解槽的报价基本一致。共计52台1000Nm³/h规格的碱性电解槽报价约为3.6亿元，由此测算得到单台电解槽售价约为692万元。如此看来，该项目中制氢设备似乎“并不赚钱”。

新疆库车光伏制氢示范项目 来源：中国石化

　　相比较之下，PEM制氢电解槽的售价更为高昂。目前，国内1000Nm³/h制氢能力的单台质子交换膜电解槽成本约3000万元。在吉林大安风光制氢合成氨一体化项目中，共涉及10000Nm³/hPEM 电解水制氢系统，从合同内容来看，该制氢设备分三批交付，第一批3200Nm³/hPEM 电解水制氢系统;第二批3200Nm³/hPEM 电解水制氢系统;第三批3600Nm³/hPEM电解水制氢系统。合同总价为29000万元。由此测算，1000Nm³/hPEM电解槽价格约为2900万元。

　　“难道国内的这些示范项目都在赔本赚吆喝?”

　　为什么制氢价格如此之贵?影响成本的核心因素究竟是什么?

　　首先是电价。根据国家发改委的《中国2050 年光伏发展展望(2019)》的预测，至2035年和2050年光伏发电成本相比当前预计约下降50%和70%，达到0.2元/kWh 和0.13元/kWh。在此情况下，碱性电解槽制氢成本将达到15元/kg 和10元/kg。由此来看，当电价降到2毛钱以下时，氢气将具有很大竞争力。

　　其次是系统本身。第一，电解槽工作时间会大大影响整体制氢效率及发电成本，这依赖于技术的提升和进步。相比较之下，碱性电解槽在风光波动性制氢条件下的制氢能力不如PEM电解槽，这对于电解槽的本身提出更大挑战。第二，电解槽单位电耗也是一大因素。据国内知名制氢厂家测算，碱性电解槽系统电耗目前≤4.9kwh/m³，随着和新材料和结构的创新优化，未来有望降低至4.5kwh/m³。第三，设备产氢量的提升。目前国内制氢项目以及制氢设备市场整体向大型化发展，今年国内已有2000Nm³/h的碱性电解槽出现，未来将会进一步扩大，这也成了众多制氢厂商的“内卷重地”。

　　最后是材料技术的“掣肘”。以碱性电解槽和PEM电解槽为例，目前仍有极大提升空间，碱性电解槽的能量效率约为62~82%;PEM电解槽的能量效率约为67~82%。

碱性电解槽(来源：网络整理)

　　碱性电解槽核心零部件包括：极板、极框、隔膜、电极、BOP辅助系统。短期来看，碱性电解槽最大的成本下降空间在辅助系统，同时也要提升电堆性能和寿命，而提升电堆各项性能可能意味着寿命变短，这其中也需要各方平衡。由于碱性电解制氢技术是利用高浓度的KOH等电解液作为介质，而电解液的渗透将会导致氢气和氧气混合，这限制了更低的电压操作范围，同时限制了碱性电解槽在更高压力下运行的能力。为了防止氢氧混合，需要在电解槽的电极和隔膜中加入垫片，然而这种设计导致了更高的欧姆电阻，降低了给定电压下的电流密度，目前碱性电解槽的发展方向就在于寻找零间隙的电极、更薄的隔膜(500um)和不同的电催化剂概念来提高电流密度。系统层面，关于气液分离装置对电耗的影响，压缩氢气处理对电解槽压力的影响以及整体电力供应对系统效率的影响，都需要考虑到电解槽设计之中。

PEM电解水制氢基本构成(来源：架桥资本)

　　PEM电解槽核心零部件包括：双极板、多孔扩散层、质子交换膜、阴阳极催化层组成。对于PEM电解槽而言，各个核心零部件的成本居高不下是最大的阻碍，原因来自于国产化程度不高、严重依赖进口。催化剂方面，开发高活性的催化剂，如含铂催化剂是一大挑战，因为我国铂族金属含量较少，而如何开发含铂量更低且替代性刚好的催化剂还在研制之中。膜电极方面，PEM电解槽最适用的是全氟磺酸(PFSA)膜，然而其价格非常昂贵，这给成本带来极大难题。双极板方面，为了保证电解槽的氢气输出量并匹配电压，要求双极板需要具备较高的热传导性、化学稳定性和较低的电阻。这对双极板的材料提出更高要求，目前理想材料是钛，但由于钛较易被腐蚀，需要在表面镀铂，这使得组件成本进一步增加，同时也需要开发更为合适的双极板材料。气体扩散层方面，目前几乎依赖进口。目前主要集中在电解槽阳极侧，阳极电位比阴极高得多，容易氧化碳材料，氧化物的形成会增大表面接触电阻，因此也需如双极板一样在表面涂上贵金属等物质，由此需要对气体扩散层的孔隙率和导电性更加优化，然而这又再一次增加了成本。

　　尽管面临种种难题亟待解决，但目前国内典型示范项目已经开始投产，氢能产业发展势在必行，据招商证券预计5-10年内，电解水制氢成本将降至20元/kg以内，成本下降的驱动力主要来自两块，“光伏、风电等可再生能源发电成本的大幅下降”和“电解槽设备成本随着技术进步和规模化将在2030年前下降60%-80% ，电解水制氢系统的耗电量和运维成本降低。”

　　成本与技术的双轮驱动并非一朝一夕可以完成，如上文所分析，技术上需要平衡和优化，在升级的同时，如何保证整体设备的稳定寿命，如何让材料大规模商用化、国产化，都需要从长计议;制氢成本有多方面原因，未来随着电价的降低以及材料设备的进一步优化，氢气将更加具有竞争力。

　　来源：氢能观察 记者：张赢