PEM電解水制氫,也就是質(zhì)子交換膜水電解制氫,是指使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì),并使用純水作為電解水制氫的原料的制氫過(guò)程。電解槽是制氫設(shè)備的核心單元,是水電解制氫氧的主要設(shè)備,在槽體內(nèi)充入電解液,在直流電的作用下使水發(fā)生分解,在陰極表面產(chǎn)生氫氣,陽(yáng)極表面產(chǎn)生氧氣。
技術(shù)簡(jiǎn)介
1.PEM技術(shù)簡(jiǎn)介
水電解制氫主要發(fā)生場(chǎng)所為電解槽,電解槽將水在直流電的作用下電解成氫氣和氧氣。電解槽的每個(gè)電解小室分為陽(yáng)極小室和陰極小室,陰極小室產(chǎn)生氫氣,陽(yáng)極小室產(chǎn)生氧氣。
目前市場(chǎng)對(duì)電解槽的主流性能要求為氫氣純度高,能耗低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造維修方便便宜且使用壽命長(zhǎng),材料的利用率高。電解槽主要部件和材料包括電極、隔膜和電解液,其中電極主要由金屬材料構(gòu)成,約占電解槽成本的57%。
1.1技術(shù)對(duì)比
主流的電解水制氫技術(shù)包括堿性水電解(ALK)、質(zhì)子交換膜電解(PEM)、高溫固體氧化物電解(SOEC)以及固體聚合物陰離子交換膜電解(AEM)四種。
在我國(guó),ALK水電解技術(shù)已經(jīng)完成商業(yè)化,產(chǎn)業(yè)鏈整體比較成熟,PEM技術(shù)目前處于商業(yè)化初期,受益于各地政策規(guī)劃,未來(lái)行業(yè)規(guī)模與產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)有望進(jìn)一步加強(qiáng);SOEC與AEM技術(shù)目前大部分處于研發(fā)與示范階段,僅有少量產(chǎn)品試點(diǎn)商業(yè)化。
電解制氫技術(shù)路線(xiàn)對(duì)比
1.2.結(jié)構(gòu)
PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、雙極板,其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極(MEA),是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場(chǎng)所,膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM電解槽的性能和壽命。
電解槽的主要組成部分
鉑、鈦、銥等貴金屬成為PEM電解槽擴(kuò)產(chǎn)的主要瓶頸,降低貴金屬使用率或開(kāi)發(fā)替代材料是PEM電解槽的降低成本的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。電解水制氫的成本主要取決于電力成本、電解槽投資成本和運(yùn)行負(fù)荷,其中電力成本對(duì)電解水制氫的敏感性影響最高,占60%~70%。隨著電力成本下降,設(shè)備投資成本的占比逐漸增加。電解槽作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,其成本占系統(tǒng)成本的45%。其中雙極板占電堆成本的50%以上,膜電極成本約占1/4,其中貴金屬約占系統(tǒng)成本的10%。未來(lái)PEM電解槽的擴(kuò)產(chǎn)瓶頸可能不僅取決于貴金屬的高成本,而是其供應(yīng)可用性,因此需要盡量降低貴金屬的使用量或開(kāi)發(fā)替代材料。
市場(chǎng)規(guī)模及主要玩家
1.市場(chǎng)規(guī)模
目前我國(guó)制氫電解槽市場(chǎng)中,堿性電解槽占據(jù)主要市場(chǎng),約90%,PEM電解槽占10%左右,AEM和SOEC目前仍在實(shí)驗(yàn)室階段,商業(yè)化程度較低。
目前歐洲堿性電解槽和PEM電解槽的市場(chǎng)占比基本持平,未來(lái)中國(guó)電解槽市場(chǎng)PEM占有率將逐漸上升,原因有:
1)國(guó)內(nèi)的堿性電解槽和國(guó)外開(kāi)始時(shí)間基本一致,發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有20年時(shí)間了,目前的技術(shù)路線(xiàn)比較穩(wěn)定,行業(yè)人的門(mén)檻不高,目前能改進(jìn)的點(diǎn)在于可再生發(fā)電的適應(yīng)性和安全性的提升,產(chǎn)品的降本空間和性能空間提升都不太大。而PEM對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)講是最近兩三年剛開(kāi)始發(fā)展的技術(shù),研究能力和產(chǎn)品能力都比較低,大家還在起步研發(fā)階段。
2)歐洲的堿性電解槽沒(méi)有比國(guó)內(nèi)發(fā)展的更早、更好,他的降本沒(méi)有國(guó)內(nèi)做的那么狠;同時(shí),歐洲的國(guó)家在能源政策上會(huì)更加傾向于使用更適合風(fēng)光儲(chǔ)能的PEM路線(xiàn),PEM啟停速度快,由于政策的支持加上多年P(guān)EM的研發(fā),PEM產(chǎn)品的成本降下來(lái)了,和堿性電解槽的成本差距不大,性能和耐久性等也和堿性有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。
3)整體來(lái)看,國(guó)內(nèi)相比于歐洲,PEM技術(shù)路線(xiàn)還有3年左右的技術(shù)差距,根據(jù)市場(chǎng)規(guī)律,在國(guó)內(nèi)PEM產(chǎn)品研發(fā)和風(fēng)光儲(chǔ)能項(xiàng)目發(fā)展下,未來(lái)PEM產(chǎn)品市場(chǎng)占有率逐步上升是可預(yù)見(jiàn)的事。
2.主要玩家
GGII數(shù)據(jù)顯示,2023年中國(guó)PEM電解水制氫裝備出貨量有望達(dá)到0.08GW,到2030年增長(zhǎng)至19GW,年均復(fù)合增長(zhǎng)率為124%。隨著PEM 電解槽出貨量的增長(zhǎng),以及技術(shù)提升、工藝優(yōu)化、降本帶來(lái)的市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,預(yù)計(jì)2025年P(guān)EM電解槽膜電極市場(chǎng)規(guī)模將超7億元,到2030年將超110億元。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可以提供PEM制氫膜電極產(chǎn)品的企業(yè)已超十余家,大多數(shù)產(chǎn)品仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,整體市場(chǎng)趨勢(shì)如下:
1)性能和成本有待繼續(xù)研發(fā)和改進(jìn)。目前我國(guó)PEM產(chǎn)品并不成熟,成本保持在堿性電解槽的3-5倍,電流密度和壽命等核心指標(biāo)還未達(dá)到先進(jìn)程度。未來(lái),性能更優(yōu)、成本更低、產(chǎn)線(xiàn)量產(chǎn)能力更強(qiáng)的企業(yè)將會(huì)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的贏家。
2)渠道和客戶(hù)能力是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。制氫產(chǎn)業(yè)極度依賴(lài)產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)系,已成熟量產(chǎn)的企業(yè)基本都與國(guó)內(nèi)風(fēng)光儲(chǔ)企業(yè)有股權(quán)或業(yè)務(wù)聯(lián)系,自主創(chuàng)業(yè)企業(yè)也在不斷地與下游合作爭(zhēng)取訂單。