（报告出品方：海通证券）

1.1目前的制氢方法

年全球氢气总生产量约万吨（同比+3%），其中中国产量占比30%，目前传统化石燃料制灰氢仍为主要方式。年全球氢气总生产量约万吨，同比增长3%，大部分氢气通过传统化石燃料生产，其中天然气制氢是最主要的制氢方法，占产氢总量的62%，其次为煤炭制氢占21%，主要在我国，工业副产制氢占16%。分区域来看，全球氢产量的70%集中在中国、美国、中东、印度和俄罗斯，其中中国由于炼油和化工行业的需求氢产量约占全球的30%。目前低碳氢产量仅占0.7%，IEA预计到年低碳氢产量可达万吨。年全球低碳氢产量仅不到万吨，占氢气总产量的0.7%。其中电解水技术生产的绿氢产量在快速增长，但年产量仍不足10万吨，同比增长35%。IEA预测，假设已宣布的建设项目全部投产，到年，低碳氢产量可达万吨，其中主要分布在欧洲（30%）和澳大利亚（20%）地区。

绿氢方面，欧洲、澳大利亚、美国受政策推动发展较为积极，拉美、非洲也有所布局。根据国际能源署《全球氢能回顾》，目前已宣布的低碳氢项目多数为电解氢的绿氢项目，到年70%以上的低碳氢生产可来自电解氢。分区域来看，欧洲地区发展较为积极的为西班牙、丹麦、德国和荷兰，合计占欧洲绿氢总产量的55%，主要受IPCEI项目和欧洲氢能银行的推动；澳大利亚依靠丰富的风光资源，到年绿氢产量有望达万吨，并且有望实现绿氢出口；拉美地区已宣布的项目到年绿氢产量也有望达万吨，其中主要集中在智利、巴西和阿根廷；美国主要受益于清洁氢生产的税收抵免（CleanHydrogenProductionTaxCredit），至23年9月的前12个月宣布的电解槽项目产能达9GW；中国方面，已宣布项目正在积极建设落地（约占总规划产量的40%）；非洲地区，已宣布项目到年绿氢产量有望达万吨，主要集中在肯尼亚、毛里求斯、摩洛哥、纳米比亚和南非，已有9个项目规划产能超过1GW。蓝氢方面，美国和欧洲（英国、荷兰和挪威）为蓝氢的主产地。根据IEA统计的现已宣布的项目预测，到年美国蓝氢产量有望达到万吨，欧洲有望达万吨，主要产地为英国、荷兰和挪威。

1.2成本对比

利用可再生能源发电制绿氢是未来趋势，年光伏耦合绿氢成本有望降至1~1.5美元/kg。根据IEA，年全球生产氢气的平均成本为：天然气制氢成本1.0-2.5美元/kg；采用CCUS技术的蓝氢成本1.5-3.0美元/kg；使用可再生电力电解生产氢气的绿氢成本为4.0-9.0美元/kg。到年光伏耦合的绿氢成本有望降低至1.5美元/kg，到年在光伏资源较好的地区有望降低至1美元/kg（利用小时数达2小时），其中电力成本占比约55%。

目前灰氢生产成本最低，仍然为供氢主体，未来向绿氢和蓝氢生产方式转变主要取决于经济成本的降低。目前我国灰氢成本最低（煤制氢7~10元/kg、工业副产制氢10~16元/kg）但碳排放量较高，绿氢的生产成本较高（市电生产成本30~40元/kg），我们认为未来氢能行业能否获得成功主要取决于向绿氢和蓝氢生产方式转变的经济可行性，主要受可再生能源成本、基础设施建设和维护成本、资本成本等因素的推动。

2.1电解槽类别

电解槽的基本原理是利用两个被电解质隔开的电极传输电子，从而产生电流以电解水。电解质是负责将产生的阴、阳离子从一个电极传输到另一个电极的介质。目前市场上的电解水制氢技术以传统碱性电解（ALK）、质子膜纯水电解（PEM）、固体氧化物电解（SOEC）和阴离子膜电解（AEM）四种技术为主，其中ALK和PEM已进入商业化阶段。

2.1.1ALK电解槽

传统碱液电解（ALK）：投资成本低，使用寿命长，是目前的主流电解水模式。ALK的系统设计较为简单，易于制造。根据IEA年的统计，目前欧洲和北美国家ALK电解槽装机的资本成本约美元/kW，而国内成本相对低很多，基本在-1美元/kW。而根据世界经济论坛（WEF）的统计，年国内部分ALK电解槽的资本成本已经可以做到-0元/kW。

电解槽

碱性电解槽具有简单的堆叠和系统设计，并且相对容易制造，寿命可达30年以上。目前电极面积达3m2，电解质使用高浓度KOH（通常57mol/L），电极使用ZrO2基隔膜和镍（Ni）涂层不锈钢。离子电荷载体是羟基离子OH-，KOH和水渗透穿过隔膜的多孔结构实现电化学反应，但这会使得溶解在电解质中的氢气和氧气混合，限制较低的功率操作范围以及在较高压力下运行的能力。为了防止这种情况，需要使用较厚的隔膜（0.mm）或者加入垫片，但这会导致两个电极之间的电阻欧姆提升，从而在给定电压下大幅降低电流密度。未来如何增强ALK的绿电耦合性和电流密度将是技术研究的重点突破方向，目前可以通过使用零间隙电极、更薄的隔膜和不同的电催化剂来增加电流密度，从而缩小与PEM技术的性能差距。一般而言碱性电解槽寿命可以达到30年以上。

系统组件

碱性电解槽需要将电解质（KOH）再循环到电池组组件中，从而需要额外的碱液循环泵，这个过程中会产生效率损耗（通常小于电堆功耗的0.1%）。完成电解反应后，氢气和氧气会在气液分离系统中分别与碱液分离。补水系统负责保证水源的稳定连续供给，并且需要考虑隔膜的水渗透。此外，系统组件还包括后续的脱氧干燥系统等。

2.1.2PEM电解槽

质子膜纯水电解（PEM）：制氢效率与电耦合性较好，有望通过规模化和技术突破以降低成本。但贵金属催化剂等材料的成本偏高，使得PEM的比ALK更昂贵。

电解槽

PEM电解槽使用薄质子交换膜（0.2mm）和具有先进结构的电极，可以实现更小的电阻和更高的效率。全氟磺酸质子交换膜（PFSA）具备化学稳定性和机械鲁棒性，可以承受70pa的高压差。但其提供的酸性环境、高电压和阳极中的析氧产生了恶劣的氧化环境，因此需要采用贵金属铱或铂涂层钢/钛作为电极材料，不仅可以为电池组件提供长期稳定性，同时还可以提供极佳的电子传导性，从而提高反应效率。但贵金属催化剂等材料的成本偏高，导致PEM堆叠比碱性电解槽更昂贵。PEM电解槽的系统设计较为紧凑和简单，但对铁、铜、铬、钠等水杂质比较敏感，且容易起火。目前PEM电解槽的电极面积接近cm2，但与单堆实现MW级别的目标仍有较大差距，此外大型MW级别PEM电解槽的可靠性和寿命仍有待验证。

系统组件

PEM系统组件比碱性系统简单得多，通常只需要在阳极（氧气）侧配套循环泵、热交换器、压力控制和监测设备。在阴极侧通常需要配套气体分离器、用于去除残余氧气的脱氧设备、气体干燥器，以及压缩机。PEM系统可以在大气压条件（atmospheric）、压差（differential）和平衡（balanced）压力条件下运行，从而能够降低成本、系统复杂性以及减少维护成本。1）在平衡压力条件下，电解电池的两侧在相同的压力下运行，该压力由氧气和氢气调节控制阀控制。2）在大气压条件下（1atm），一旦阳极有水并且电池电压高于环境温度下的热中性电池电压，电极处就会产生氢气和氧气。3）在压差条件下，PEM膜电解质可以在为3~7MPa的压差下运行，但需要更厚的膜来提高机械鲁棒性并减少气体渗透以保证效率，并且通常需要额外的催化剂来将由于高压而发生渗透的氢气重新转化为水。

2.1.3SOEC电解槽

固体氧化物电解（SOEC）：效率高，热机状态动载性能好，但需要高温热源，且寿命短，目前仍处于试验阶段。SOEC技术在高温（-℃）下运行，可以使用相对便宜的镍作为电极，同时部分反应能量可通过余热提供，因此电力需求减少。但在升温期间，可能会导致电解质层更快降解，使得其使用寿命较短。目前SOEC技术从实验室转向产业化应用仍面临较多挑战。

电解槽

固体氧化物电解槽（SOEC）通常在高温（-°C）下运行。优点在于可以使用相对便宜的镍电极；高温使得电力需求减少，可以提供用于电解的部分能量，基于电力的表观效率可以达到高于%；作为燃料电池和电解槽的可逆性的潜力；CO2和水共电解可以产生合成气，作为化学工业的基本组成部分。缺点在于在尤其是停机/重启期间的热化学循环导致电解质层更快的降解、使得寿命更短，其他问题包括在更高压差下实现密封，用作密封剂的二氧化硅污染等。尽管目前一些SOEC电解槽示范项目达到1MW，但目前大部分还在kW级别。

系统组件

SOEC电解槽可以与制热技术相结合，由于水电解随着温度的升高而越来越吸热，因此系统效率相对更高。高温环境下电池的能量需求迅速减少，因此多余的能量可以用来在高温下进行水分解反应。当电池吸热运行时，水蒸发的热量可以从工业或集中式光伏电厂的废热获取。一个重要且完全可再生的选择是将SOEC与集中式光伏耦合，从而为SOEC电解槽提供电力和热量。

2.1.4AEM电解槽

阴离子膜电解（AEM）：试图将PEM的高效率和ALK的简单性的优点相结合，目前还处于试验前期阶段。AEM的潜力在于将碱性电解槽的简单性与PEM的高效率相结合，采用非贵催化剂和高性能阴离子膜，兼具低成本、高电流密度、高电耦合性等优势，但AEM膜存在化学和机械稳定性问题，导致寿命曲线不稳定，因此大面积阴离子膜的研制还需要较长周期。

电解槽

阴离子交换膜（AEM）目前尚处于有限部署阶段，只有少数公司将其商业化。AEM的潜力在于将碱性电解槽的简单性与PEM的高效率相结合，采用非贵催化剂和高性能阴离子膜，并且与PEM一样允许在压差条件下操作。然而，AEM膜存在化学和机械稳定性问题，导致寿命曲线不稳定。此外，AEM还存在导电率低、电极结构差和催化剂动力学慢的问题，通常通过调节膜的导电性能或通过添加电解质（例如KOH或NaHCO3）来改善性能，但可能会导致耐久性降低。

系统组件

AEM电解槽系统与PEM电解槽系统设计类似。由于该技术的成熟度较低，有关高压差条件下的运行情况信息相对有限。然而AEM膜的机械稳定性、产生气体纯度、承受高压差的能力、运行功率范围与碱性电解槽相比都会有所改善，但较PEM电解槽功率输入范围相对较窄。

2.2绿氢降本空间

根据国际可再生能源署，长期的绿氢生产成本有望至多下降85%，主要基于电力成本和电解槽设备资本开支的下降，以及电解槽运行效率的提升和优化设计。根据国际能源署，电解槽装机的成本至年较年有望降低50%，至年有望降低超过60%达到美元/kW，从而使得在绿氢生产成本中电解槽的CAPEX成本份额降至约25%。

电解槽的设计和构造：模块尺寸的增加和堆栈制造的增加对成本产生重大影响。将发电厂的装机容量从1MW增加到20MW可以将成本降低三分之一以上。此外，最佳的系统设计还取决于在效率和灵活性等方面驱动系统性能的应用。

规模经济：通过千兆瓦级生产线中的自动化流程增加电堆产量，从而实现成本的逐步降低。电堆成本在低产量下约占总成本的45%，但在高产量下可以降至30%。对于PEM电解槽来说，实现规模经济的临界点是每年生产0套（1MW）左右，可以使电堆制造成本降低近50%。此外，可以通过系统组件和工厂设计的标准化来实现系统成本的节约。

减少稀缺材料用量：稀缺的原材料可能成为电解槽规模扩大的瓶颈，目前用于PEM电解槽的铱和铂产量仅能支持估计3~7.5GW的年产能，而预计到年电解槽年制造需求将达到约GW。解决方案包括降低PEM电解槽中贵金属的用量，此外阴离子交换膜（AEM）电解槽不需要此类稀缺材料。

提高运行效率和灵活性：从经济角度来看，电源在低负载时会带来巨大的效率损失，从而限制了系统的灵活性。具有多个堆栈和电源单元的模块化工厂设计可以解决这个问题。压缩还可能成为灵活性的瓶颈，因为它可能无法像堆栈一样快速地改变其生产率。解决这个问题的一种替代方案是采用集成工厂设计，通过优化和集成的电源和氢气存储来应对生产的变化。因此绿氢有望为电力系统提供显著的灵活性，在可再生能源的季节性储存中发挥关键作用。尽管这会带来显著的效率损失，但其为在严重依赖太阳能和风能等可变资源的电力系统中实现%可再生能源发电的必要基石。

工业应用：电解系统的设计和操作可针对特定应用进行优化，包括需要稳定供应和低物流成本的大型工业用户；可以获得低成本可再生能源的大型离网设施，但向最终用户提供氢气可能成本较高；需要小型模块来实现灵活性的分布式项目，可以通过降低物流成本来补偿每单位电解槽容量的更高投资。

学习率：研究表明燃料电池和电解槽的潜在学习率（learningrate）与太阳能光伏发电相似，可以达到16%~21%。预计根据该学习率水平和符合1.5°C气候目标的部署路径，到年电解槽成本可能会降低40%以上。

2.3电解槽降本路径

2.3.1电堆层面

电堆层面，不同类型电解槽的降本重点有所差异，其中碱性电解槽重点在电极和隔板，PEM电解槽则主要在双极板、PTL以及催化剂涂膜层方面以尽可能降低铂和铱的含量。为了防止关键材料限制规模的扩展，碱性电解槽系统已经转向无铂和钴设计并且投入商业化使用。PEM电解槽则仍需要进一步降低铂和铱的含量，或者用更常见的材料取代，此外钛的含量也应尽可能降低。扩大工厂规模可以降低电解槽BOP系统的成本，但需要考虑相应的应用场景，比如住宅或交通部门所需的电解槽工厂规模要比工业应用小很多，但可能可以通过现场生产氢气节省输送成本。

ALK电解槽

碱性电解槽电堆的降本重点领域是电极和隔板。其中，双极板和PTL（多孔传输层）的优先级较低，因为其由成本较低的涂有镍的不锈钢板制成。重点降本路径包括：

增加电流密度：电堆的电流密度可以从0.5A/cm2提高到2-3A/cm2，但电流密度的增加不能损耗效率。目前一些制造商通过将电极隔离器封装，可以在2V电压下实现1.2A/cm2的电流密度。2-3W/cm2的功率密度可以通过使用更薄的隔膜来实现。与PEM一样，ALK也需要提高电压效率水平，减少欧姆损失和改善电极表面的化学反应。

减小隔膜厚度：可以提高效率并减少电力消耗。隔膜越薄，将OH-从阴极运输到阳极的阻力就越低，但由于气体渗透水平较高，从而可能导致安全问题。另一个缺点是耐久性较低，因为隔膜中更有可能会形成针孔，导致机械鲁棒性降低。总体而言，碱性电解槽的隔膜厚度应该接近PEM槽和AEM槽的水平。对于PEM来说，目前最先进的膜厚度为-μm，并有潜力降低到20μm。ALK目前的隔膜厚度为μm，将其降低到50μm可以使碱槽在1A/cm2下的效率从53%提升到75%。

提高催化剂的表面积：尽管ALK电解槽使用便宜的镍基催化剂作为电极，但问题主要在陈旧的电极设计、氢和氧析出反应效率较低等方面。除了增加表面积（通常使用Raney-Ni催化剂可以实现）之外，其他改善性能的要素都具有中等以上的难度，并且还需要考虑长期耐用性，这也是Raney-Ni催化剂至今尚未实现商业化的原因。

创新多孔传输层：目前ALK电堆在有效使用PTL（多孔传输层）方面还有较大改善空间，尤其表现在优化PTL中的质量运输过程，如减少停留在碱性PTL中的气泡阻力；寻找最佳保护涂层替代物以降低阳极侧的层间电阻。

PEM电解槽

PEM电解槽的降本重点在双极板、PTL以及催化剂涂膜层方面。设计电堆堆栈可以将电流密度从目前的2A/cm2提升至6A/cm2，从而实现更高的功率密度以降低成本。电极面积有望从目前的-cm2提升至cm2，最终达到00cm2，可以使用相同厚度但更坚固的膜串联实现。这也将使得PEM电解槽的单堆规模有望从1MW逐步提高至5MW甚至10MW。但通常要在低得多的电压水平下运行，以提高效率和简化废热管理。

降低膜厚度：可以提高效率并降低用电量，目前主流的最先进的膜为NafionN膜（厚度μm），2A/cm2下运行的效率损失约25%，此外有些膜的厚度做到低至20μm，可以实现2A/cm2下的效率损失约6%。但膜的厚度可能不会降低至5μm以下，一方面耐久性较差，另一方面将催化剂涂覆的膜和多孔传输层结合成大容量电极的生产工艺较为复杂。薄膜和电极需要在整个区域上具备机械鲁棒性，以避免膜的破坏，尤其是在压差运行条件下。因此PTL的优化设计比较关键，因为催化剂界面处更精细的结构可以更好地支撑较薄的膜并防止破坏。目前商业化的PEM电解槽膜厚度通常在μm。

避免昂贵的涂层设计并对PTL和双极板进行优化设计：在阳极侧，电堆需要使用涂覆铂的钛烧结多孔片（PTL），钛多孔传输层的铂负载量为1-5mg/cm2或12.5g/kW，铂可以保护钛免受钝化，并提供最佳层间电阻，研究表明PTL的层间电阻会导致高达1.35kWh/KgH2的电力损耗（约4%的hydrogenLHV）。此外，钛基双极板在阳极和阴极侧分别需要铂和金作为保护层，因此未来的降本路径包括寻找钛板的替代品（铌、钽和不锈钢材料等），并使用稳定且不含铂或金的保护涂层。

优化设计涂覆催化剂的膜：通过生产自动化建立可靠便宜的催化剂和膜供应链，从而实现规模效益。此外可以通过优化设计膜上的电极（并行等）来减少电催化剂的用量。PSFA膜的供应厂商相对比较稳定，包括Chemours、Solvay、Asahi-Kasei、3M、Gore，并且往往生产供应实现规模化、膜面积高达3m2。因此，PEM电解槽达到一定规模，成本有望显著降低。

AEM电解槽

AEM电解槽的降本重点在膜和离聚物。AEM膜的重点主要在实现高机械、热和化学稳定性、离子传导性以及电子和气体的低渗透性，离聚物则主要负责机械和热稳定性。目前AEM电解槽要同时实现高机械稳定性和离子电导率的成本较高，增加AEM离子电导性可能会导致过量水分的吸收，从而影响电解槽的机械稳定性，此外KOH侵蚀可能会造成离聚物降解，从而快速降低催化剂层中膜和离聚物的电导率。

SOEC电解槽

SOEC电解槽的主要挑战是耐用性，重点在电解质层和电极材料。SOEC电解槽重点