中国氢能产业的崛起：解析其发展与竞争挑战

自“碳达峰碳中和”目标提出以来，以可再生能源为核心的新能源产业正在积极规划，为中国的能源结构升级和转型做出了重要贡献。这一双碳目标不仅促进了中国新能源体系的迅速建设，还加速了氢能产业的发展。

氢能产业从生产到储存再到应用涵盖了广泛且复杂的领域。尽管氢气在宇宙中广泛存在，但只有通过制氢才能获取，这带来了发展上的挑战。

在制氢领域，中国已进入市场化实验和大规模示范应用阶段。氢气制备通常分为煤制氢（灰氢）、天然气重整制氢（蓝氢）和风光电解制氢（绿氢）等三类方法。其中，绿氢被认为是最环保的制氢方式，未来发展前景广阔。

2023年被誉为“绿氢元年”。今年以来，各地区积极推动风光制氢项目，并且制氢制造商加速竞争，推动了制氢市场的增长。

电解水制氢技术包括碱性电解水制氢（ALK）、质子交换膜电解水制氢（PEM）、阴离子交换膜制氢（AEM）和高温固体氧化物电解水制氢（SOEC）四种方法。目前，碱性电解水制氢（ALK）技术占据市场主导地位，因其相对较低的成本和较高的成熟度。

今年上半年，吉林大安风光制氢和氨一体化项目招标了39套碱性电解设备，同时从长春绿动氢能采购了近30亿元的PEM制氢设备。这个项目是国内最大的绿氢和氨合成项目，同时使用了ALK和PEM两种制氢方法，为吉林省“北方氢谷”的发展做出了重要贡献。

另外，今年6月30日，国内首个年产万吨级光伏制氢项目——新疆库车光伏制氢示范项目正式投产。该项目包括52套1000Nm³/h碱性电解器，展示了国内制氢能力。该项目具有年产氢气2万吨、储氢能力21万标准立方米和输氢能力2.8万标准立方米每小时的电解水制氢能力。

然而，制氢市场竞争激烈，国内制造商已经开始生产2000Nm³/h的碱性电解设备，而1500Nm³/h和1000Nm³/h的设备已经非常普遍。因此，“制氢产能”已成为制氢设备制造商的主要竞争焦点。同时，国内制氢市场正朝着更大的单台设备制氢产能的方向发展，这对技术提出了更高要求。同时，降低电解器成本也面临挑战，投标过程中出现“不合理报价”的情况。

目前，单台1000Nm³/h碱性电解器的制氢产能价格在700万到1000万元之间。根据中石化新疆库车绿氢示范项目的招标统计，苏州竞立、隆基氢能和中国船舶第718研究所的1000Nm³/h碱性电解器报价基本相同。根据这一统计，单台电解器价格约为692万元。因此，该项目中的制氢设备似乎“并不盈利”。

与之相比，PEM制氢电解器的价格要高得多。目前，单台1000Nm³/h质子交换膜电解器的价格约为3000万元。在吉林大安风光制氢和氨一体化项目中，共涉及10000Nm³/h的PEM电解水制氢系统，合同规定分三批交付，总合同价值为2900万元。因此，1000Nm³/hPEM电解器的价格约为2900万元。

氢气制备价格高昂，主要因素需要深入探讨。首先是电价问题。根据国家发改委2019年的《中国2050年光伏发展展望》，光伏电力的成本预计将在2035年和2050年分别降低50%和70%，分别达到0.2元/kWh和0.13元/kWh。在这种情况下，当电价降至2分以下时，碱性电解制氢的成本将降至15元/kg和10元/kg，这将使氢气具有较高的竞争力。

其次，制氢系统本身也是影响成本的重要因素。电解器的工作时间对总体制氢效率和电力成本有重要影响，这取决于技术的提高。与此同时，碱性电解器在风光电力波动条件下的制氢能力不及PEM电解器，这增加了电解器的制约。此外，电解器单位电耗也是一个重要因素。根据国内知名制氢厂家的测算，碱性电解器系统的电耗目前低于4.9kwh/m³，并有望随着新材料和结构的创新而降至4.5kwh/m³。最后，提高设备制氢能力也是关键，中国的制氢项目和设备市场都在朝着大型化发展，这也是制氢制造商的竞争焦点。

最后，材料技术也是影响制氢成本的重要因素。碱性电解器和PEM电解器仍然有提升空间，碱性电解器的能量效率约为6282%，而PEM电解器的能量效率约为6782%。碱性电解器的核心零部件包括极板、极框、隔膜、电极和BOP辅助系统。短期内，碱性电解器最大的成本下降空间在辅助系统，同时需要提高电堆的性能和寿命。然而，提高电堆性能可能会导致寿命缩短，这需要综合考虑。碱性电解制氢技术利用高浓度的KOH等电解液作为介质，而电解液的渗透会导致氢气和氧气混合，这限制了电压操作范围，同时限制了碱性电解器在高压下的运行能力。为了防止氢氧混合，需要在电解器的电极和隔膜中加入垫片，然而这种设计导致了更高的欧姆电阻，降低了给定电压下的电流密度。目前，碱性电解器的发展方向是寻找零间隙的电极、更薄的隔膜（500um）和不同的电催化剂概念来提高电流密度。此外，还需要考虑气液分离设备对电耗的影响、氢气压缩对电解器压力的影响以及整体电力供应对系统效率的影响。

对于PEM电解器，关键零部件包括双极板、多孔扩散层、质子交换膜、阴阳极催化层。成本高昂的核心零部件是PEM电解器发展的主要障碍，因为国内制造程度低，严重依赖进口。催化剂方面，开发高活性的催化剂，如含铂催化剂，是一个重大挑战，因为中国铂族金属的含量有限，如何开发含铂量更低且合适的替代品仍在研究中。质子交换膜方面，PEM电解器最适用的是全氟磺酸（PFSA）膜，但这些膜价格昂贵，带来了重大的成本挑战。双极板在保证电解器的氢气产量和电压匹配方面发挥着关键作用，要求双极板具有较高的热传导性、化学稳定性和低电阻。然而，钛是理想的材料，因其耐腐蚀性，但需要在表面镀铂，这会增加组件成本，因此需要开发更合适的双极板材料。气体扩散层几乎完全依赖进口，主要集中在电解器的阳极侧，因为阳极电位明显高于阴极，容易氧化碳材料，氧化物的形成会增加表面接触电阻，因此需要在气体扩散层上涂覆贵金属，同时需要优化孔隙率和导电性。然而，这些改进会增加成本。