中国制氢行业的方式及未来趋势
思瀚产业研究院 重塑能源    2025-12-08

制氢的定义及方式

根据制备方法，氢气可分为：(i)採用传统资源（如天然气或煤）制备的氢气；(ii)通过将传统资源与CCUS（碳捕集、利用与封存）技术相结合制备的氢气；及(iii)利用可再生能源通过电解水制备的氢气。

中国是世界最大的制氢国，2023年制氢量达3,500万吨以上，佔同年全球制氢量的38%。但非再生制氢（如煤等原材料制氢）仍然是最主要的制氢方式。可再生能源制取的氢气具有诸多优势，特别是在低碳排放及大规模、长週期储存方面。

未来，随著中国氢能技术的发展，可再生能源制氢的成本将不断降低，氢能价格有望进一步优化，加速提升氢能的消费者渗透率，改善中国的能源结构。採用可再生能源生产的氢主要是通过电解水的方式制取。根据氢能联盟的预测，到2030年中国可再生能源制氢量将佔中国氢气总产量的约15%。

电解水制氢的主要原理是水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解质隔膜材料的不同，通常将电解水制氢分为硷性电解水(ALK)、质子交换膜(PEM)电解水、高温固体氧化物电解水(SOEC)及阴离子交换膜(AEM)电解水制氢。目前ALK和PEM是主流的电解水制氢方式。

ALK材料和部件的研发难度相对较低，整体制造成本相对便宜，因此是最早实现商业化应用的电解水制氢技术。

PEM的技术难度高于ALK，但相比ALK，其响应速度更快，可适应波动电源。在可再生能源的应用不断增多的大背景下，PEM也成为了主流的电解水制氢方式。其他技术（如SOEC、AEM）的技术难度较高，仍处于商业化的早期阶段。未来，随著技术进步，SOEC及AEM可能在制氢行业获得更大市场份额。

ALK的工作原理

ALK技术是最为成熟的电解水技术。基本原理：以KoH等硷性水溶液作为电解质，採用无纺布（含氟或氟氯聚合物）作为隔膜，在直流电的作用下将水电解，生成氢气和氧气，并在电解槽的阴极和阳极析出。ALK设备系统相对複杂，主要包括电解槽、压力调节阀、硷液过滤器、硷液循环泵、硷液制备及贮存装置、氢气纯化装置以及气体检测装置等模块组成。ALK制氢技术成熟，但存在硷液流失、腐蚀、能耗高、佔地面积大等问题。

ALK电解槽主要组成部分

下文载列ALK电解槽的主要零部件：

•电极

电极是ALK电解槽中最重要的部分，主要是由于其决定了电流密度及产氢能力。在电极生产中使用更优质的材料可实现更高的电流密度，从而令氢产量增加。为确保最佳性能，需要表面面积大的耐硷及耐高温材料。

• 隔膜

隔膜防止ALK电解槽中氢氧混合。膜的稳定性决定ALK电解槽的使用寿命。为确保隔膜的性能，需防止氢分子和氧分子穿过隔膜，但允许电解质离子通过。因此，隔膜应由耐高浓度硷液腐蚀、具有良好机械强度及隔膜孔隙率高的材料制成。

• 密封垫片

密封垫片是为了实现ALK电解槽中各极板之间绝缘而设计。其性能影响气体产量、稳定性以及极板和膜的使用寿命。

•极板和极框

极板和极框支撑电极和隔膜，确保ALK电解槽的导电性。其性能取决于其耐硷液腐蚀性。

此外，制氢模块中的制氢电源可改变输入电能的电压水平，其后将电能传导至后续的电解槽制氢，须确保电解槽的平稳运行。因此，制氢电源的稳定运行是确保产生高纯度氢气和高效率制氢的关键因素。其他零部件包括控制系统、气液分离系统、纯化系统、硷液系统、补水系统、冷却乾燥系统及附属系统。在燃料电池参与者中，只有少数公司有能力开发ALK电解槽的主要零部件，包括但不限于我们。

PEM的工作原理

PEM目前处于市场化早期，其主要零部件包括具有质子交换能力的薄膜和分别与薄膜两侧紧密连接的阴阳极催化层。和ALK不同，PEM电解使用质子交换膜作为固体电解质替代隔膜和硷性电解质。此外，PEM电解使用纯水作为制氢的原料，避免了潜在的硷液污染和腐蚀问题。将其业务范围扩展至PEM电解槽的燃料电池公司拥有部分优势，原因为PEM电解槽和燃料电池具有类似结构，其隔膜和催化剂等主要零部件具有相似性。

PEM电解槽主要组成部分

PEM电解槽的主要零部件包括膜电极、双极板、端板和电源。端板站组件引导电力转换并分配水和空气。电源将交流电转换成稳定的直流电源。

• 膜电极 .............. 膜电极(MEA)是质子交换膜、催化剂和平板电极的组装堆栈，用于燃料电池和电解槽。(i) 扩散层：促进气液传递；(ii) 催化层：由催化剂、电子传导介质、质子传导介质组成的三相界面。催化剂是电化学反应的核心；及(iii) 质子交换膜：作为固体电解质，一般使用全氟磺酸(PFSA)膜，隔绝开阴阳极生成的气体，阻止电子的传递，并传递质子。由于隔膜可提高电流密度，故其对电解槽至关重要。

• 双极板 .............. 双极板是质子交换膜的重要多功能部件。作为重要的零部件，双极板在支撑电极膜和气体扩散层方面起著重要作用。阴阳极两侧的双极板汇流氢气和氧气，随后将其排出。双极板的关键属性包括较高的机械稳定性、化学弹性、低氢渗透性和高导电性。

全球及中国电解槽市场规模

得益于氢能下游应用场景的显著拓展，制氢行业持续增长。为实现碳达峰和碳中和目标，电解水制氢将成为未来的主流趋势。2023年，全球电解槽出货量已达到1,908.2MW，2018年至2023年的複合年增长率为68.6%。未来，随著技术进步和扶持政策落地，预计到2028年出货量将达到81,026.4MW，2023年至2028年的複合年增长率为111.6%。

PEM和ALK是两种主要的制氢方式，两种方式各有优点。2023年，ALK出货量达1,412.1MW，PEM出货量达496.1MW。由于技术较为複杂、成本较高，PEM的出货量低于ALK。但考虑到PEM在电流密度、氢气纯度方面具有优势，未来PEM的市场份额将会增加。同时，PEM响应迅速，调节范围大，可以与可再生能源电力的被动特性相配合。

2023年至2028年，预计PEM的出货量将以122.0%的複合年增长率从496.1MW增长到26.7GW，而ALK的出货量将以107.5%的複合年增长率从1,412.1MW增长到54.3GW。按出货额计，全球电解槽市场价值已从2018年的71.9百万美元增长至2023年的986.8百万美元，複合年增长率为68.8%。

未来，随著制氢产业的发展和可再生能源制氢技术的成熟，电解水制氢的渗透率将会提高。因此，未来电解槽市场将保持增长。预计2028年市场价值将达到387亿美元。

由于原材料的稀缺性，PEM电解槽比ALK电解槽更加昂贵，主要是由于PEM倚赖贵金属（如铱、铂、钛等）作为电极及催化剂。PEM的市场规模从2018年的26.7百万美元增长到2023年的479.7百万美元，複合年增长率为78.2%。ALK的市场规模从45.2百万美元增长到507.1百万美元，複合年增长率为62.2%。鉴于PEM比ALK更具竞争优势，未来PEM的渗透率将会提高。预计PEM的出货额将以115.4%的複合年增长率从2023年的479.7百万美元增长到2028年的223亿美元。

ALK的出货额将以100.6%的複合年增长率从507.1百万美元增长到2028年的165亿美元。受氢能需求激增和电解水技术进步的推动，全球电解槽行业的市场规模（以销售收入计）持续小幅增长，预计未来几年将继续保持增长趋势。全球电解槽的市场规模（按销售收入计）由2018年的1亿美元增长至2023年的10亿美元，複合年增长率为70.2%。此外，根据不同政府宣佈的绿氢战略，电解槽投资预计将大幅增长，进一步推动全球电解槽市场的扩张。

于2023年，按出货量计，中国佔全球电解槽市场份额约62.7%。在中国，由于ALK的技术比PEM更加成熟，ALK远比PEM更受青睐。中国有不少企业致力于ALK产业。2023年，ALK出货量达到1,160.5MW，而PEM出货量达到35.9MW。预计未来国内PEM技术将突破技术瓶颈，出货量将因此有所增长。

根据预测，PEM的出货量将以196.0%的複合年增长率从2023年的35.9MW增长到2028年的8.2GW。ALK的出货量将以93.8%的複合年增长率从2023年的1,160.5MW增长到2028年的31.7GW。由于技术不成熟以及原材料（如铱、铂、钛）匮乏，国产PEM电解槽价格比国外高。PEM的出货额从2018年的人民币1,000万元增长到2023年的人民币5亿元。

ALK的出货额以69.5%的複合年增长率从2018年的人民币1亿元增长到2023年的人民币14亿元。于2023年，按出货额计，中国佔全球电解槽市场份额约27.5%。预计PEM的出货额将以128.9%的複合年增长率从2023年的人民币5亿元增长到2028年的人民币314亿元。ALK的出货额将以87.8%的複合年增长率从2023年的人民币14亿元增长到2028年的人民币327亿元。

中国制氢行业的未来趋势

• 电解水技术成为长期主流

电解水制氢技术具有无可比拟的优越性，原因如下：第一，该技术不使用化石燃料，不会产生有害气体。第二，气体产物的纯度一直很高，通常超过99.7%。同时，该技术已达到成熟阶段，且工艺和设备简单。此外，该技术自动化程度高，採用微电脑控制，运行稳定可靠。随著电解水技术的成熟及技术具有经济可行性，电解水制氢技术有望发展为制氢的长期主流技术。此外，家用、科研及健康领域使用的小尺寸制氢机日益成为制氢行业的新趋势。

• 发展可再生能源制氢

可再生能源制氢是最理想的制氢形式，尤其是考虑到其低碳足迹。然而，该技术目前面临著技术壁垒及相对较高成本的制约，实现大规模应用尚需时间。儘管可再生能源制氢需要相对较多的水资源，但须注意的是，採用传统方法制氢亦依赖于水供应。技术进步预计会提高制氢的成本效益及促进资源节约，从而使氢的优势更为明显。未来可再生能源制氢有望成为提高可再生能源应用比例及构建清洁、低碳、安全、高效能源体系的最有效途径之一。

• 通过可再生能源制氢解决弃水、弃风、弃光问题

中国的水电、风电、光伏发电具有随机性、波动性、间歇性等特点，由于发电电量难以准确预测，因此会导致一定程度的电能浪费。氢储能可以通过氢能和电能之间的相互转换使得电力系统平稳运行，在电力充足时，通过电解水制氢技术将多馀的电能储存起来；当电力输出不足时可将储存好的氢能利用燃料电池发电返回电网系统供电，从而有效解决可再生能源消纳问题和电网稳定性问题，提高输电网络效率和能源利用率。

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