电气设备行业专题研究：PEM制氢：从0到1，风光制氢理想搭档

电气设备行业专题研究 PEM制氢： / / 从0到1，风光制氢理想搭档 2023年11月23日 【投资要点】 结论：①PEM制氢正实现从0到1突破，即供给端（资本进场、国产技术突破）、需求端（风光消纳痛点、项目激增）和政策端催化，成本下降亦有望加速商业化。②我们预计，2025年乐观情形，国产PEM电解槽设备成本下降40%，叠加电费、电耗下降，2025年制氢成本有望下降四成（相较基准情形）。③碱性+PEM组合，经济性和实用性兼备。 一、PEM制氢：风光制氢理想搭档 原理：以质子交换膜（ProtonExchangeMembrane）为电解质，利用电能将水分解为氧气和氢气。 主要部件：膜电极（MEA）、气体扩散层（GDL）、双极板、密封圈。 膜电极（MEA）三明治结构：阴极催化剂层、阳极催化剂层、质子交换膜。 优势：动态响应速度更快，高安全性、操作温度更低、高电解效率、高纯度、体积小。 应用：风光耦合制氢，有望应用于分布式加氢站等，也可与碱槽组合，应用于绿氨和供热等能化领域。 二、PEM制氢行业：资本、技术、市场和政策推动发展 供给端：各类型企业开始布局，兆瓦级产品层出+材料国产化。 需求端：项目激增+风光大基地带来的消纳问题亟待解决。 政策端：标准出台+技术扶持+资金补助。 三、经济性：2025年制氢成本有望下降四成，商业化可期 基准情形：以1000Nm³/h产能PEM电解槽为例，年工作时间4000h，电解水制氢固定成本5900万元，度电成本0.28元/kwh，电耗4.5kwh/标方，不考虑碳交易，此时单位制氢成本（LCOH）约为33元/kg。 2025年中性情形：若电解水制氢设备成本降低20%，固定成本4900万元，度电成本降低至0.18元/kwh，电耗降至3.6kwh/标方，此时LCOH约为23元/kg，接近天然气制氢上限。 2025年乐观情形：相比于中性，进一步假设设备成本降低40%，固 定成本3900万元，度电成本降低至0.18元/kwh，电耗降至3.6kwh/ 标方，此时LCOH约为20元/kg，达到天然气制氢上限。 挖掘价值投资成长 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 证券分析师：朱晋潇 证书编号：S1160522070001电话：021-23586740 相对指数表现 11.45% 4.13% -3.19% -10.51% -17.83% -25.15%11/231/233/235/237/239/23 电气设备沪深300 相关研究 《风光运营商：拨云见日，成长+防御属性凸显》 2023.11.21 《氢能系列专题二：储运：承上启下，氢能规模化应用的关键环节》 2023.11.13 《4680量产在即，相关设备有望放量》 2023.10.20 《固态电池专题研究：产业链初步成形，产业化稳步推进》 2023.10.16 《IEA发布《全球氢能评论 2023》，行业加速发展》 2023.09.27 行业研究 电气设备 证券研究报告 行业研究 电气设备 证券研究报告 四、格局：海外先发优势明显，国内加速追赶 海外：20世纪50年代开始研究PEM技术，先发优势明显，已形成 PLUGPowe（r世界第一产能）、ITM（世界第二产能）、Nel、Siemens、 Cummins等行业龙头。 / 国内：包括技术协同的老牌龙头、崛起的新势力和专注国产化材料研发的企业三大类。 / 展望：①国内PEM制氢降本和应用潜力大。②PEM+碱性有望成主流。③《2023中国电解水制氢装备行业蓝皮书》预测，2023年中国PEM电解水制氢装备出货量有望达到0.08GW，到2030年增长至19GW，2022-2030年均复合增长率为124%。 【配置建议】 我们建议关注： 技术协同的老牌龙头：阳光电源、赛克赛斯、派瑞氢能、中石化。 新势力：淳华氢能、长春绿动。 专注国产化材料研发的企业：东岳集团、鸿基创能。 【风险提示】 下游绿电制氢需求不及预期； 政策支持不及预期； AEM、SOEC等新产品替代； PEM电解水制氢降本不及预期。 正文目录 1.PEM制氢：风光制氢理想搭档4 1.1.构造+原理：独特的质子交换膜4 1.2.优势：与可再生能源耦合，高安全性6 1.3.应用：风光耦合制氢、绿氢化工、燃料电池、热能7 2.PEM行业：政策支持+资本进场+技术创新与突破8 2.1.供给端：兆瓦级产品层出+材料国产化8 2.2.需求端：项目激增+风光大基地带来的消纳问题亟待解决10 2.3.政策端：标准出台+技术扶持+资金补助11 3.经济性：2025年制氢成本有望降四成，商业化可期12 3.1.能源成本：度电成本下降，电耗有望对标国外12 3.2.固定成本：规模效应+国产化+技术进步13 3.3.测算：2025年有望下降四成，达天然气制氢上限14 4.格局：海外先发优势明显，国内加速追赶16 4.1.历史：海外先发优势明显，产能领先16 4.2.现状：国内加速追赶16 4.3.展望：0到1的突破，前景可期18 5.投资建议19 5.1.老牌龙头：阳光电源、赛克赛斯、派瑞氢能、中石化19 5.2.新势力：淳华氢能、长春绿动20 5.3.国产化材料研发的企业：东岳集团、鸿基创能22 6.风险提示22 图表目录 图表1：PEM电解槽主要组成部分4 图表2：PEM电解槽和单体结构4 图表3：PEMWE工艺概念图4 图表4：质子交换膜电解槽工作反应原理5 图表5：碱性与PEM制氢对比6 图表6：PEM产业路线7 图表7：国内部分PEM电解槽企业产品及规格8 图表8：国内膜电极主流企业8 图表9：国内兆瓦级PEM电解水制氢项目一览10 图表10：十四五风光大基地布局11 图表11：1MW（200Nm³/h）的PEM电解槽设备成本组成12 图表12：光伏电站投资成本与能源成本12 图表13：西门子电解槽电耗数据13 图表14：PEM电解槽不同生产规模的成本下降13 图表15：质子交换膜14 图表16：基准情形下PEM制氢成本14 图表17：2025年中性情形下PEM制氢成本15 图表18：2025年乐观情形下PEM制氢成本15 图表19：全球PEM企业部分产能16 图表20：国内主要PEM制氢设备企业概况17 图表21：国内碱性+PEM项目18 图表22：阳光能源合作的PEM制氢项目19 图表23：赛克赛斯PEM制氢设备20 图表24：淳华氢能PEM制氢项目21 图表25：行业重点关注公司22 1.PEM制氢：风光制氢理想搭档 1.1.构造+原理：独特的质子交换膜 质子交换膜电解槽（ProtonExchangeMembraneWater Electrolysis，PEMWE）是一种新型电解槽，主要由膜电极（MEA）、气体扩散层（GDL）、双极板组成。 图表1：PEM电解槽主要组成部分 组成部分 双极板 质子交换膜 催化剂 气体扩散层 主要作用 支撑集电器与膜电极、传递电子及提供物质传输的通道 隔绝氢气和氧气，防 止气体在阳极与阴极通道间发生反应同时控制质子交换 发生电化学反应，决定制氢效率 在电催化层和双极板之间提供有效的电接触，并确保它们之间的气/液传输 性能要求 耐强酸性和良好的导电性 保证其在一定工作环境中维持良好质子传导率 有效降低过电位且耐腐蚀性良好 有适当的孔隙率和孔径、良好的导电性和稳定性 材质/组成设备 石墨双极板、金属双极板及复合材料双极板。表面需涂覆Pt或Au涂层 Nafion系列膜 阳极：早期金属，目前是Ru02和Ir02阴极：Pt和C 钛基多孔材料，表面还需涂覆Pt或Ir涂层 资料来源：《质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望》化工进展2021，《高效质子交换膜电解水制氢技术研究进展》华中科技大学学报(自然科学版)2023,东方财富证券研究所 其中膜电极是“三明治”结构：阴极催化剂层、质子交换膜（PEM）、阳极催化剂层。 图表2：PEM电解槽和单体结构图表3：PEMWE工艺概念图 资料来源：《质子交换膜电解水技术关键材料的研究进展与展望》储能科学与技术2022，东方财富证券研究所 资料来源：《质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望》》化工进展2021，东方财富证券研究所 原理：利用电能将H2O分解，从而在阳极侧产生O2和H+。O2离开装置，而H+穿过质子交换膜。电子通过外部电路循环，到达阴极侧还原H+产生H2。 图表4：质子交换膜电解槽工作反应原理 资料来源：《高效质子交换膜电解水制氢技术研究进展》华中科技大学学报(自然科学版)2023，东方财富证券研究所 阳极发生析氧反应(OER)：2H2O−4𝑒−⟶4H++O2 阴极发生析氢反应(HER)：4H++4𝑒−⟶2H2 总反应吸热：2H2O⟶2H2+O2−Q(热量) PEM电解槽阳极侧的双极板、催化层和电极材料均需耐腐蚀的贵金属材料。在PEM电解槽中，氧气在正极生成，氢气在负极生成，PEM电解槽阳极酸性较强，在较高的阳极电位和酸性氧气环境下，需要选择贵金属来防止腐蚀。 1.2.优势：与可再生能源耦合，高安全性 PEM制氢与碱性电解槽相比，能与可再生能源耦合，生产速率可以在整个负载范围内发生变化；高安全性，保证氢气和氧气被隔离到阴阳两极而不外泄；温度更低在室温-80℃之间；高电解效率，可以在高电流密度(>1.0A/cm2)和高压下(>5MPa)工作；高纯度产生的氢气纯度可以达到99.999%，可直接通入燃料电池使用；体积小、动态响应速度更快。 图表5：碱性与PEM制氢对比 项目 碱性制氢(AWE) 质子交换膜制氢(PEM制氢) 电解质 KOH 质子交换膜 温度/℃ 70-90 40-80 电解效率/% 56-80 76-85 压强/bar 1-32 1-35 电流密度/(A·cm2) 0.2-0.5 1.5-2.5 响应速度 数十秒级 秒级 负荷范围/% 10-100 0-150 输入下限/% 10-40 0-10 寿命/h优点 90000 技术成熟，低成本，高寿命 20000-60000 低温，与可再生能源耦合，高纯度，高安全性，体积小 技术成熟度 9 7 资料来源：《碱性膜电解水制氢技术现状与展望》化工学报2021，《PEM电解水制氢技术的研究现状与应用展望》太阳能学报2022，东方财富证券研究所 PEM制氢的核心优势:与可再生能源耦合和高安全性。 与可再生能源耦合：碱性电解槽的动态输入下限为10-40%，PEM电解槽为0-10%。PEM电解槽负载范围可达0-150%，生产速率可以在整个负载范围内发生变化，对输入电源具有高度的灵活性和适应性，可维持可再生能源稳定地输入电网，使储能应用更加灵活，与可再生能源耦合。而碱性制氢液电解响应速度慢，使其与间断性可再生能源耦合困难。 高安全性：PEM电解水制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质，能有效阻止电子传递，在高压下也能保证氢气和氧气被隔离到阴阳两极而不外泄，提高电解槽安全性。 1.3.应用：风光耦合制氢、绿氢化工、燃料电池、热能 针对上游间歇性可再生能源储能需求： 风光耦合制氢，消纳风能、光能等可再生能源，将其转化为更易储存、能量密度高的绿氢。PEM制氢技术启动时间短，响应速度快，由于其相较于碱性电解槽更灵活的特点，能够与可再生能源耦合，更好地兼容并成为其残余电量的缓冲。 图表6：PEM产业路线 资料来源：《质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望》化工进展2021，东方财富证券研究所 针对和下游产业的联合应用： 1）作为化工原料和来自工业废气或空气中捕集的CO2合成甲烷、甲醇以及费托合成产品； 2）直接作为能源应用，PEM的高纯度氢气可以为燃料电池汽车提供动能，减轻交通运输行业造成的尾气污染； 3）家庭供暖和