2023年中国制氢电解槽行业词条报告

2023年中国制氢电解槽行业词条报告 作者 摘要 李卿云 电解水是将水分解为氢气和氧气的电化学过程，电解槽是电解水制氢系统的核心，也是电解反应发生的主要场所。根据电解液的不同，目前制氢电解槽技术主要分为四类：碱性电解槽（AWE）、质子交换膜（PEM）电解槽、阴离子交换膜(AEM)电解槽和固体氧化物电解槽 （SOEC），其中AWE和PEM电解槽已实现商业化应用，AEM电解槽和SOEC仍处于研发示范阶段。中国制氢电解槽行业呈现出以碱性电解槽（AWE）为主、以质子交换膜（PEM）电解槽为辅的商业应用状态，行业集中度较高，2022年出货量Top3企业市场占有率合计达80%。随着燃料电池技术的不断成熟与质子交换膜国产化的加速突破，长期来看，PEM电解槽的成本将持续降低，市场份额逐渐提高。尽管未来增量空间巨大，制氢电解槽行业目前尚处于发展初期，仍面临着核心组件国产化程度不足与制氢成本高昂的技术设备风险。2020年以后，在“双碳”目标与能源结构优化的驱动下，中国制氢电解槽行业进入蓬勃发展期，出货量呈高速增长趋势，预计至2025年中国制氢电解槽总出货量有望超过2GW，至2026年总出货量接近4GW，行业规模接近50亿。 行业头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务/能源设备与服务港股分类法/能源 关键词氢能源基础设施制氢技术氢能源电解槽 制氢电解槽行业定义 1. 电解水是将水分解为氢气和氧气的电化学过程，电解槽是电解水制氢系统的核心，也是电解反应发生的主要场所，由若干个电解小室组成，每个电解小室由电极、隔膜和电解质构成。电解液在阳极发生氧化反应产生氧气，在阴极发生还原反应产生氢气，电解水在制氢过程中无二氧化碳排放，因而被认为是未来最为理想的制氢方式。目前电解水制氢主要应用于浮法玻璃、电子等行业。 制氢电解槽行业分类 2. 根据电解液的不同，目前制氢电解槽技术主要分为四类：碱性电解槽（AlkalineWaterElectrolysis,AWE）、质子交换膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）电解槽、阴离子交换膜(AnionExchangeMembrane,AEM)电解槽和固体氧化物电解槽（SolidOxideElectrolysisCells,SOEC）。其中AWE和PEM电解槽已实现商业化应用，AEM电解槽和SOEC仍处于研发示范阶段。 SOEC处于研发示范阶段，使用600-900°C的高温水蒸气电解，效率高于AWE与PEM电解槽，预期效率约为100%，实际效率在80-90%之间。SOEC产氢纯度较高，仅需脱除水蒸气，且可使用廉价催化剂低成本运营。由于SOEC具有能在高温情境下制氢的特点，核能与地热能等可再生能源具备作为蒸汽电解热源的潜力。高温操作可降低电池电压并增加反应速率，但同时也让设备面临着材料热稳定性和密封性的挑战。高温也会导致SOEC启动和磨合时间更长，阻碍系统与间歇性可再生能源耦合，并降低设备的寿命于耐久性。随着技术进步与产业规模化发展，SOEC具有降低成本的巨大增长空间。 固体氧化物电解槽（SOEC） AEM电解槽处于研发示范阶段，主要结构由阴离子交换膜和两个过渡金属催化电极组成，一般采用纯水或低浓度碱性溶液用作电解质，并使用廉价非贵金属催化剂和碳氢膜。因此，AEM技术兼具AWE与PEM的优势，产氢纯度高达99.99%及以上，具有成本低、启停快、耗能少的特点，集合了与可再生能源耦合时的易操作性，同时可达到与PEM相当的效率。目前AEM电解槽面临的主要挑战是产品寿命低和制氢规模小。首先，AEM在工作过程中，表面会形成局部强碱性环境，易导致交换膜穿孔破裂，引发电堆短路，影响使用寿命。其次，AEM电解槽缺乏大规模制氢能力，AWE单体产氢量可达2000Nm³/h，PEM电解槽单体产氢量可达200Nm³/h，但AEM电解槽单体产氢量仍停留在0.5—5Nm³/h之间，很难满足大型可再生能源电解水制氢综合示范项目的采购标准。 阴离子交换膜（AEM）电解槽 PEM电解槽技术近年来发展迅速，已进入商业化初期。PEM电解槽以PEM为隔膜，以纯水为反应物，由于PEM的氢气渗透率较低，产氢纯度高达99.99%及以上，仅需脱除水蒸气。电极通常由铂、铱等贵金属组成，造价较高；电解槽采用零间距结构，欧姆电阻较低，电解效率在48-65%，低于AWE，但体积更为紧凑；压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕，适应快速变化的可再生能源电力输入。PEM电解槽的主要优点在于运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏（发电的波动性和随机性较大）具有良好的匹配性。瓶颈环节在于成本和寿命，目前国际先进PEM稳定运行时间为60,000-80,000小时，制氢成本约为每千克氢气3.7美元。PEM电解槽通常用于小规模制氢，单体产氢量在200Nm³/h以下。 质子交换膜（PEM）电解槽 类型名称类型说明 碱性电解槽（AWE） AWE制氢是一种较为成熟的电解水制氢技术，AWE安全可靠，寿命长达15年，已被广泛商业化使用。AWE技术采用氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分离水产生氢气和氧气，效率通常在70-80%。一方面，AWE在碱性条件下可使用非贵金属电催化剂，催化剂造价较低，但产气中含碱液、水蒸气等，需经辅助设备除去；另一方面，AWE难以快速启动或变载，无法快速调节制氢的速度，因而与可再生能源发电的适配性较差。AWE适合大规模制氢，产氢纯度在99.8%以上，派瑞氢能近期发布的AWE单体产氢量已达2,000Nm³/h。 3.制氢电解槽行业特征 中国制氢电解槽行业呈现出以碱性电解槽（AWE）为主、以质子交换膜（PEM）电解槽为辅的商业应用状态，阴离子交换膜（AEM）电解槽与固体氧化物电解槽（SOEC）仍在研究示范中。行业集中度较高，2022年出货量Top3企业市场占有率合计达80%。尽管未来增量空间巨大，制氢电解槽行业目前尚处于发展初期，仍面临着国产化程度不足与制氢成本高昂的技术设备风险。 中国制氢电解槽行业呈现出以碱性电解槽（AWE）为主、以质子交换膜（PEM）电解槽为辅的商业应用状态。 以碱性电 2022年中国制氢电解槽总出货量在800MW左右，AWE出货量约为776MW。随着可再生能源电解水制氢逐步成为未来主流的制氢方式，A 解槽为主 WE制氢技术快速向大容量（单体产氢量≥1,000Nm³/h）方向发展。PEM电解槽在规模、数量上虽与AWE存在一定差距，但自2022年7月以来，MW级PEM电解槽项目落地速度加快，企业规划的PEM产能项目也已开始向GW级发展。中国制氢电解槽行业的材料与技术仍存在国产化程度不足的问题。 国产化程 中国PEM电解槽已实现初步商业化应用，但电解槽中的质子交换膜较大程度上依赖国外进口，且使用的催化剂主要由铂和铱等贵金属组 度不足 成，由于全球80%以上的铂金属由南非提供，意味着催化剂也极度依赖进口供应。中国AWE设备国产化率约为95%，但阀门与仪表尚依赖进口。在核心电解槽部件中，隔膜和电极技术水平与国外仍存在差距，关键材料与技术的国产化不足将制约行业的规模化发展。电解水制氢技术成本高昂，受多种因素影响。 制氢成本高 AWE与PEM电解槽在制氢系统设备成本中的占比分别为50%、60%，中国AWE制氢成本约为1,400-2,000元/千瓦，由于质子交换膜和贵金属催化剂等关键组件价格较高，PEM电解槽制氢成本为10,000-20,000元/千瓦。电力成本占制氢总成本的50-90%，电价上涨十倍会导致制氢成本上涨六倍。目前电解水制氢的成本控制主要集中在三个方向：一是产业规模化，二是核心零部件成本下降，三是调整制氢用电的费用定价机制。中国制氢电解槽行业集中度较高。 行业集中 2021年，中国电解水制氢设备市场规模超过9亿元，出货量超过350MW，其中考克利尔竞立出货量达160MW，占据45%以上市场份额， 度高 排名第一。2022年，中国制氢电解槽总出货量在800MW左右，Top3企业中船派瑞氢能、考克利尔竞立、隆基氢能电解槽市场占有率合计达80%，基于技术成熟度、创新空间与客户资源形成的市场格局短时间难以改变。 制氢电解槽发展历程 4. 全球电解水制氢技术自1800年开始已发展数百年，中国的制氢电解槽产业自20世纪50年代从前苏联援助项目中引进，可分为三个阶段：在1950-1989年的萌芽期，中国利用军工技术研发出加压水电解制氢装置，随着市场经济发展，电解槽从军用转向民用，应用于浮法玻璃、电子、钢铁还原剂等领域；在1990-2019年的启动期，中国加压电解槽的制氢规模得到提升，国产设备基本取代进口设备，并出口进入国际市场，同时“718大裂变”促进了电解水制氢设备企业的市场化进程；在2020年至今的高速发展期，“双碳”目标驱动众多行业聚焦绿色低碳技术，电解水制氢技术备受瞩目，传统企业扩产，新兴企业入局，外资加速布局中国市场，电解槽新品频出，仍以碱性电解槽（AWE）为主。 开始时间：1950结束时间：1989阶段：萌芽期 行业动态：中国最早的电解槽生产技术源自20世纪50年代初期从前苏联引入北京电子管厂的常压电解槽，由哈尔滨联合机械厂承接制造技术。哈尔滨联合机械厂推出的常压电解槽DY-24、DY-75、DY-125等型号曾一度应用于中国工业生产，尤其是电子、化工领域，广州重型机械厂和上海重型机械厂也参与了电解槽的技术研发。1966年，中船718所利用军工技术开发出加压水电解制氢装置。1976-1978年，化工专家许俊明领导的水电解制氧装置课题组开发出中压电解槽。20世纪80年代，中国冶金行业和电子行业从德国和美国进口一批电解水设备。此时制造业以引进技术为主，独立的研究机构资金来源遭遇挑战，国家鼓励厂所挂钩，将设备推向社会化。许俊明与中国建材设计院探讨工业应用，设计院提出浮法玻璃具有水电解制氢的需求。浮法玻璃成为中国电解槽民用市场规模化的第一个驱动力，718所的水电解制氢项目开启市场化进程，蚌埠玻璃厂、青岛玻璃厂成为电解槽的购买用户。出于电子行业和钢铁还原剂领域对氢的需求，北京国营东光电工厂、北京电子管厂等电子企业和包钢、首钢、唐钢、马钢等钢铁企业也陆续向718所采购加压电解槽。 行业影响/ 阶段特征：中国自前苏联引入制氢电解槽生产技术，并利用军工技术研发出加压水电解制氢装置。随着市场经济发展，制氢电解槽从军用转向民用，应用在浮法玻璃、电子、钢铁还原剂等领域，开启市场化进程。 开始时间：1990结束时间：2019阶段：启动期 行业动态：1990年，水电解制氢装置被列为国家火炬计划项目，1994年被国家经贸委列为“国家级新产品项目”。进入90年代，加压电解槽单槽规格已覆盖80Nm³、100Nm³、120Nm³、125Nm³、200Nm³，第一批苏联引进的常压电解槽基本退出市场，进口设备也基本被国产设备替代。1992年7月18日，718所副总工程师许俊明决心投身市场经济浪潮，带领18位电解槽工程师南下苏州，在时任苏州政府官员的张碧航（现考克利尔竞立副董事长）的支持下成立苏州苏氢制氢设备有限公司，中国制造的加压电解槽设备也开始通过包钢、杭氧等企业在苏州成套出口，正式走向国际市场。苏州苏氢后改名为苏州竞立制氢设备有限公司，2018年比利时JohnCockerill集团承接了苏州竞立的全部人员和知识产权，扩大成立考克利尔竞立（苏州）氢能科技有限公司。1994年，部分工程师随许俊明返回北方，落地天津，于1995年成立天津市大陆制氢设备有限公司。“718大裂变”形成了中国加压碱性电解槽行业三足鼎立的格局，2008年，中船718所成立中船（邯郸）派瑞氢能科技有限公司。此后成立的电解水制氢设备企业如中电丰业、隆基绿能等，都有来自苏州竞立、天津大陆与718所的工程师。 行业影响/ 阶段特征：水电解制氢装置被列入国家级项目，中国加压电解槽制氢规模提升，国产设备基本替代进口设备，并出口进入国际市场。“718大裂变”形成中国加压碱性电解槽行业三足鼎立格局，并为此后成立的电解水制氢设备企业提供人才资