产业观察 | 碱性&PEM，是技术路线之争还是成本之争？

作者：郑贤玲

编辑：李铭沨

全球范围来看，2021宣布的500个氢项目，相当于潜在直接投资达到1600亿美元，这与2020年相比增长了100%。预计在未来十年中全球将有大约总共250GW的电解项目将会逐渐建成。

在这样的预期下，全球电解槽行业产能迅速扩张，中国短期内生产厂家增加了10-15倍，产能规划上升约20倍。

不过，科技是一把双刃剑，它既能创造一个产业，也能毁灭一个产业，目前有多种电解水制氢的方式，已经产业化的也有两条技术路线，企业和资本在兴奋之余也不免有几分忐忑：碱性和PEM，到底哪条技术路线更容易获得现实的订单？哪条路线又能够走得更远呢？或者，碱性电解槽和PEM技术路线是否能像各种储运方式那样能够“和睦相处”呢？

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层层递进的路线之争，什么电解槽更有前途？

新产业的发展道路上总是充满迷雾，尤其是面临两条或多条技术路线的时候，企业家和投资人需要在各种嘈杂的讨论中辨析并选择自己的路线。

前一段时间是关于锂电与氢电的争论，蓬勃发展的锂电显然占据了上风，但挺氢派坚持氢在环保和资源上更有优势。好不容易市场达成了一些共识，认为氢作为能源不仅仅是用于汽车的燃料电池，还有比作为储能的锂电具有更广泛的应用空间。即使在交通运输领域，燃料电池也能弥补锂电能量密度不足和低温性能不好的短板，在商用汽车、船舶、轨道交通领域更有优势。

接下来是关于氢气来源的争论，灰氢、蓝氢、绿氢？或是化石能源制氢、工业副产氢、还是绿电制氢？从技术成熟度、获取方便、制氢成本、环保等各个维度进行比较。

还好，市场在这个问题上分歧并不大，普遍认为绿氢也就是可再生能源制氢是氢能发展的主流方向，其他制氢方式作为补充。氢能十四五规划明确鼓励可再生能源制氢和工业副产氢，不鼓励化石能源制氢。但在示范期间，主要以产业链技术验证为目的，并不需要十分计较氢气来源，最重要的是获取方便、成本可控、品质保障。

氢的储运方式上也有一些争议，好在大家认同不同氢气来源、运输量、和运输距离等应选择不同的方式，高压储氢、固态储氢、液态储氢、管道运输或是有机液态储氢各有各的应用场景，彼此冲突似乎不大。

似乎都清晰了：发展氢能将成为实现“碳中和”目标和能源安全的重要手段，可再生能源制氢是主要的氢能来源，多种储氢方式供选择，总之，电解槽将迎来巨大的发展机会。但问题又来了，对于绿电制氢的技术路线又产生了争论。

暂且不讨论其他未成熟的技术路线，就目前已经进入产业化的碱性电解槽和PEM电解槽到底哪一条技术路线才是主流？

去年看起来国外以PEM为主，国内以碱槽为主，更多的人认为PEM更能代表未来；今年国外碱性电解槽似乎在增加，而PEM则似乎在减少，甚至有人说国外企业正"跑步进入碱性电解槽”，更重要的是，国内影响力巨大的新疆库车项目52台电解槽全部选用碱性技术路线，而且，最近国内进入电解槽的企业达到150家左右，其中超过100家的方向都是碱性电解槽。

于是市场开始出现否定PEM技术路线的声音，认为PEM太贵，PK不过碱性电解槽，没有前途。但这似乎是出于成本的考量，而从技术的角度来看，选择PEM制氢的企业认为他们的路线更有前途。

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目前，世界上中国主导的碱性电解槽单槽规模在1-6.5MW（中国的主导产品是5MW），而PEM电解槽的单槽规模在0.25-2.5MW（国外主导产品2.5MW)。

不过，这样漫长的时间培育出来的产业却依然还是一个小产业，到2018年前，全球电解槽的出货量总共也只有135MW，相当于27台1000Nm3/h的电解槽。

根据伦敦帝国理工学院研究人员统计，到2014 年，全球碱性电解槽的累计出货量为19.84GW，彭博社估计到2017年累计出货约20GW，根据项目跟踪统计预计2018-2023年将再出货3.81GW，到2023年累计出货量为23.81GW。而到2017年，全球PEM电解槽累计出货量约为30MW，预计2018-2023 年期间出货量为1.31GW，到2023年总计1.34GW。

而在近百年的发展历史中，电解槽主要是稳定的电源来制取氢气，更多的氢气应用于必不可少的工业原理或还原剂，这些经验不足以解决可再生能源的间歇性问题，行业发展面临前所未有的技术难题。面对新的应用条件，传统的电解槽技术并不老道，或者说还处于示范初期阶段。

尽管到2021年全球电解槽出货量共计458MW，其中大部分用于示范性绿氢项目，相比2018年量复合增长率达到50%，但在这些示范项目中还没有足够的数据来验证碱性电解槽和PEM电解槽实际运行的效率和寿命。

目前，国内绿氢项目进入运行期的案例还非常少，宝丰能源投资建设的“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”已经在宁夏宁东能源化工基地正式投产。该项目可年产2.4亿标方绿氢和1.2亿标方绿氧，通过太阳能生产绿色电能，再用绿色电能作为动力，通过电解水制取出“绿氢”和“绿氧”，但目前还没有公开的运行数据。

显然，这个时候得出碱性或PEM哪条路线是长期趋势结论还为时过早。

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电解（electrolysis）一词的后缀lysis是“分离”或“破裂”，即通过电分解的过程，当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，产生氢气和氧气。

目前，碱性和PEM是世界上仅有的两种已经形成产业化的电解槽，它们所用的催化剂、电解质和结构都不一样。

电解质是一种含有离子的导电介质，碱性电解槽电解质是含有30%氢氧化钾的碱性溶液；而在PEM电解中，电解质则是由固体聚合物制成的质子交换膜。碱性电极材料主要包括镍或镍铝合金涂层钢，在碱性电解液中进行碱性电解；PEM电解槽则是用铱或铂涂层钢/钛，在酸性环境中进行PEM电解。

19世纪初期，电解水技术来自于航天科技，最早是为了生产航空燃料，因为航空基地很偏远，需要氢气，而又不能从远处运输过去，因保密的需要也不能在当地建化工厂，所以需要就地解决氢的来源。

而在我国，上世纪60-70年代中船718所在进口电解槽的基础上研究出中压电解槽，当时的应用是为核潜艇员提供需要呼吸的氧气，此后氢气作为还原剂或原料在浮法玻璃、电子行业、钢铁行业等领域应用，电解槽从军工领域进入工业领域。

PEM电解槽是与燃料电池的逆反应。上世纪60年代燃料电池开始在航天器上应用，最早GE公司推出用在宇宙飞船的备用系统，1962年杜邦公司改良了质子膜，在此基础上于80年代推出民用氢气发生器。

也就是说，碱性电解槽的出现最初是基于电解水制氧，然后在工业氢气中应用；而PEM电解槽的出现的背景则是基于氢气作为动力的大背景，其研究重点就落在了能量利用率、对可再生能源波动的适应性、电解槽氢气输出压力等指标上。

但现实中，碱性电解槽已经处于规模化，而且经历了输出压力、电解槽功率、隔膜材料等多方面的升级来提升效率和改善工作环境的适应性，而PEM则还处于性能和使用寿命被验证和改善的阶段。

所以，从把水变成氢的成熟度来看，碱性电解槽已经很成熟，PEM还处于成长阶段；但从工作原理上看，PEM电解槽更适应可再生能源不稳定的工作状态，所以，很大程度上取决于项目方想要达到什么目的。

目前，世界上主要的电解槽制造商分布在欧洲、美国和中国，其中，欧美国家以PEM为主，代表企业有西门子、康明斯、ITW Power、NEL、普拉格等；而中国以碱性为主，代表企业有考克利尔竞立、派瑞氢能、天津大陆、隆基绿能等。

原本以为欧美发达国家的技术更能代表行业发展的趋势，而且国内中国石化、国电投、派瑞氢能、阳光电源等企业都投资于PEM，但近期蒂森克虏伯和NEL都扩大了在碱性电解槽的产能。

NEL几乎是目前唯一一家可以从上市公司报表上看到产品结构变化的企业，今年1-9月份的销售数据显示：前三季度，NEL碱性电解槽营业收入同比大幅增长702.64%，而PEM则同比下降了3.91%，难怪业内有人形容国外企业”跑步进入碱性电解槽“了。

不过，荷兰氢和燃料电池联合计划项目研究员王户贵说：”PEM电解槽是针对能源目标来设计的，而碱性电解最初的目标是制氧制氯，我和欧洲企业对两条技术路线都是支持的。“

不过对于目前市场的变化，王户贵研究员认为个别企业的收入结构变化不能代表行业趋势。

他说，虽然NEL的发展历史可以追溯到1927年，而且2017年成为上市公司，目前订单显示公司处于快速增长，但NEL依然是一家规模不大的企业，目前大约600名员工，到2021年公司营业收入也只有7.98亿挪威克朗，相当于5.59亿人民币，目前公司依然处于求生存的阶段，还没有能力引领行业，所以，他们今年碱性槽的大幅增加不能代表行业趋势。

至于欧洲老牌工业企业蒂森克虏伯，王户贵研究员认为这家服务于传统钢铁和汽车行业的工业企业同样处于求生存的状态，过去十多年公司营业收入处于下降趋势，而且大部分时间处于亏损或微利，也不能代表欧洲先进的科技发展方向。而影响德国经济30%的西门子则愿意投入更多未来产业的研究，他们的选择也更能代表电解槽发展方向。他认为，西门子大概率不会选择碱性电解槽。