制氢环节三大路线并存，哪种技术将成为未来主流？

制氢环节三大路线并存，哪种技术将成为未来主流？

目前，制氢主要有三大路线：化石燃料制氢、工业副产氢、水电解制氢。化石燃料制氢+CCUS将成为制氢重要路线之一；可再生能源水电解制氢则是“终极路线”。

电解水制氢技术路线包括碱性电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、固体氧化物电解（SOEC）和阴离子交换膜电解（AEM）。SOEC是电解水蒸气的高温电解，其他三种技术则是电解液态水的低温电解。这四种技术中，碱性水箱和PEM水箱已经实现商业化，SOEC和AEM技术处于研发阶段，具有发展潜力。

碱性水箱的特点是技术比较成熟，成本相对较低；PEM电池的负载范围比较广，与可再生能源结合时灵活性更好，但成本相对较高。考虑到成本、可靠性等因素，一段时间内大规模制氢仍将以碱性水箱为主。电解槽是制氢的核心设备。

电解水制氢装置包括主设备、辅机（BOP、Plant）、电控设备三部分。主设备由电解槽与辅机组成一体化框架，电解槽为核心设备；辅机包括水箱、碱箱、供水泵、气体减压配电架等；电控设备包括整流柜、配电柜等。

碱性电解槽

碱性电解池通常为圆柱形，可采用串联单极或并联双极压滤结构，极板间通过螺栓和两块端压板夹紧在一起，形成多个相互隔开的腔室，每个腔室由电极、隔膜、垫片、双极板等组成。

电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。

核心材料在碱性电解槽技术升级中起着非常重要的作用。从碱性电解槽材料及成本构成来看，除了双极板、端板、拉力螺钉等相对简单的机加工件外，电极、隔膜、密封垫片等材料成本占比较高，且工艺相对复杂，因此企业一般选择从外部采购。

为了实现电解器升级换代，以电极、隔膜、密封垫片为代表的核心材料也在为技术和工艺路线的提升做准备。以电极、隔膜、密封垫片为代表的碱性电解器核心材料供应商矩阵在国内已初步形成。在下游电解器的带动下，核心材料公司陆续推出了适应下一代电解器发展的高性能材料，如万安级电极、第三代复合隔膜、高性能密封材料等。随着这些材料的验证和应用，国内碱性电解器发展有望迈上新台阶。

电极

电极又称电催化剂，是发生电化学反应的场所。每个电解室都有一个阴极和阳极电极，主要形式为喷洒有雷尼镍的镍网、泡沫镍等。它们约占电解器成本的30%，也是决定制氢电解器产氢效率的基础。在电极面积一定的情况下，电流密度的大小决定了电解器产气量的大小。因此，电流密度是衡量电极性能的主要性能指标。传统碱性电解器的电流密度仅为3000-4000A/m²。近来，在巨纳科技、辉瑞丝网、宝仕莱、英瑞优创、力士电极、图灵科技、北矿新材等厂家的努力下，国产碱性液体电极在电流密度方面取得了重大进展。

隔膜

而对于隔膜，电解槽中的隔膜对氢气和氧气起到了严格的隔离作用，因此隔膜的品质直接关系到氢气和氧气的纯度和功耗。目前的隔膜产品已经经历了三代发展，隔膜材质目前以PPS为主，但市面上常规的PPS材质亲水性不佳，给后端的纺丝、纺纱、织布加工带来不稳定性。“复合隔膜”是业界公认的碱性电解水隔膜材料升级发展方向，具有阻气性好、稳定性好、阻力小、能耗低等特点。

主要隔膜制造公司包括爱克发集团等，其中碳能科技作为国内较早从事复合隔膜研发生产的公司，已研发出表面电阻≤0.5Ω·cm²、厚度500~700μm的第三代复合隔膜产品。近日，由中科院博士团队发起的中科氢易获数千万元种子轮融资，并宣布建设复合隔膜及电解水制氢离子溶剂膜中试生产线，隔膜领域迎来新秀。

密封垫圈

密封垫片解决的是极片间的绝缘问题，关系到电流效率和安全性。绝缘性能的好坏一方面影响产气量和稳定性，另一方面间接决定了极板和隔膜的使用寿命。碱性电解槽密封垫片多采用复合聚四氟乙烯，以氟利达氢能为代表的国内材料供应商正加紧扩大产能，其2万平米ALK、PEM密封垫片及塑料极架半自动化生产线正在建设中。

碱性电解槽密封垫片

PEM电解器

PEM电解系统主要由电解槽和辅助系统（BOP）组成。电解槽是电解反应制氢的核心装置，辅助系统用于原料（水）处理、系统循环、氢气产品干燥净化等，主要包括电源系统、氢气干燥净化系统、去离子水系统、冷却系统等。

PEM电解器也是由多个电解单元堆叠而成，每个电解单元由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板组成。PEM电解器采用质子交换膜作为固体电解质，取代了碱性电解器使用的隔膜和液体电解质（KOH溶液），内阻更小，内部结构更加紧凑，电解效率大大提高，规模选择更加灵活。PEM电解以纯水代替碱性溶液作为电解原料，产氢纯度优于碱性制氢。但PEM电解是在强酸性环境下进行，且需使用贵金属催化剂，成本较高。新材料的核心要求是开发高效稳定的非贵金属催化材料。

PEM电解制氢的优势是响应速度快，在极限功率输出条件下（低于20%负载或150%最大负载以内）可正常使用。考虑到可再生能源输出功率变化大，低负载和高负载区间时间长，在实际使用中采用PEM作为可再生能源电解氢储能的经济性在现有技术条件下可以超过碱性电解制氢；预测2025年我国电解制氢装机将达到10GW，2050年将达到500GW。

质子交换膜

目前国内PEM电解器行业规模较小，主要原因是关键材料质子交换膜生产技术被欧美、日本等国家巨头垄断，国内电解器厂家所采用的质子交换膜主要从杜邦公司进口，无论成本还是供应链都面临一定压力。

东岳氢能在质子交换膜方面的自主创新经历了四个阶段，目前在燃料电池膜、水电解制氢膜、液流电池膜等领域都有成熟稳定的产品。质子交换膜国产化的探索仍在向高性能、低成本、长寿命方向推进，已形成质子膜全产业链完整布局，从原材料、树脂到质子膜均实现了技术的自主可控和量产。

AGC的氟树脂离子交换膜用于燃料电池的电解质膜和电极。

水电解S系列

2050年PEM电解氢市场占有率将达到40%，PEM制氢总装机容量将超过200GW；制氢用质子交换膜国内市场空间将达2亿元，2030年国内市场空间将达8亿元，2050年PEM制氢用质子交换膜市场空间将达305亿元。

催化剂

水电解制氢催化剂主要为贵金属（如铂、氧化铱、氧化钌等），PEM电解槽所用的贵金属催化剂也依赖进口。铂族金属是水电解制氢催化剂和氢燃料电池催化剂的重要组成部分，未来将在能源转型中发挥重要作用。

碱性电解槽工艺相对成熟，仍是国内电解制氢的主流，碱性体系正在寻求增加铂族金属负载以提高生产效率，质子交换膜电解槽中的催化剂对应每GW约1吨铂和铱的总需求。

假设2030年碱性电解槽铂负载量为0.015g/kw，假设22~30年碱性电解槽铂负载量呈线性变化，根据美国能源部目标，预计2030年质子交换膜铂负载量可降至0.10g/KW，随着技术发展，铂负载量呈线性变化，未来碱性电解槽贵金属需求量增加，质子交换膜发展将加速，2030年制氢电解槽或将带来20吨铂需求量。

贵金属资源的稀缺性和高昂价格使得其无法用于大规模工业制氢。因此制氢催化剂的研发主要旨在减少或替代贵金属催化剂，不断探索有潜力的新型催化材料，并通过优化组成、形貌和物相等策略，尽可能增加催化剂的活性位点数量和提高单个活性位点的活性，最终提高整体的催化活性和稳定性。同时，探索新的原子尺度材料（如亚纳米级或单原子尺度催化材料），以获得与贵金属相当的催化性能是研究重点。

氢电中科的核心竞争力在于独特的材料开发思路，首创了独特的铂碳及铂合金催化剂制备技术，使铂碳催化剂具有产品成本低、电化学活性面积和质量活性高、工艺适应性强、重复性好、产率高等特点，用于PEM制氢的氧化铱催化剂也已实现百克级以上批量销售。

氢气分离纯化

化石燃料制取的氢气和化工副产氢气都需要经过净化工序，目前氢气净化主要有变压吸附（PSA）、深冷分离（深冷蒸馏）、膜分离、色谱分离和吸收等方法。其中变压吸附产品纯度高，设备投资成本适中，是目前应用最为广泛的氢气净化方法；深冷分离适合规模化生产，未来在集中制氢环节具有一定的推广潜力。

变压吸附

变压吸附（PSA）的核心在于专用吸附剂（分子筛）的研发，设备中的吸附塔结构、阀门及控制系统的设计对变压吸附的效果和系统寿命也有着重大影响。变压吸附技术主流供应商均为掌握吸附剂研发技术的化工企业，开发相应工艺及成套设备，为下游客户提供整体解决方案。全球三大变压吸附技术供应商包括美国UOP、德国林德、我国西南化工研究设计院（上市主体为昊华科技）。建龙微纳是国产分子筛领军企业，拥有制氢分子筛产品，是国内为数不多的拥有万吨级制氢分子筛材料产能的企业之一。

膜分离

膜分离技术具有能耗低、连续化、成本低、操作简便等优点，是目前最有前景的氢气分离技术。膜材料是膜分离技术的基础和核心，主要包括有机膜、无机膜和有机-无机杂化膜三大类。

参考：同感氢能新材料~P0:-知乎()