氫能產業鏈主要包括制氫、儲運、加注和下游應用四個環節。

制氫環節三大路線并存：化石燃料制氫、工業副產氫和電解水制氫三類。化石燃料制氫+CCUS將成為制氫的重要路線之一；可再生能源電解水制氫是“終極路線”。

電解水制氫技術路線包括堿性電解(ALK)、質子交換膜電解(PEM)、固體氧化物電解(SOEC)和陰離子交換膜電解(AEM)等。堿性電解技術成熟、設備成本低，是目前的主流路線；PEM技術制氫效率高、靈活性好，產業化在即；SOEC和AEM技術處于研發階段，存在發展潛力。電解槽是制氫的核心設備。

氫能：零碳可持續的理想能源

氫能的優勢：應用端：清潔、高效、便利；供給端：來源廣，承接棄風棄光

1.1應用現狀：氫主要作為工業原料使用，中國占全球需求的30%

?氫作為能源應用的普及程度不高，現階段主要作為工業原料使用。2021年，全球氫氣需求超過9400萬噸。分地區來看，我國是全球最大的氫氣消費國，需求量約2800萬噸，占全球的30%；美國、中東和歐洲分別占據全球14%/12%/9%的需求量。分應用來看，氫氣主要用于化工（合成氨/合成甲醇）和煉油，2021年全球交通運輸氫氣需求僅3萬噸左右，占比較少。我國氫氣應用領域同樣以化工為主，56%的氫氣被用于化工合成，9%用于煉油，16%作為尾氣直接燃燒，氫作為能源的應用程度不高。

?工業用氫存在巨大的脫碳潛力。2021年，全球工業用氫和煉油用氫絕大部分源于化石燃料制氫，產生的直接二氧化碳凈排放量分別為6.3億噸和2.0億噸。工業合成氨、合成甲醇、煉油等均以氫為主要原料，工藝成熟，存在綠氫替代灰氫的減碳空間；此外，全球各地正在探索氫氣在鋼鐵工業領域的應用，綠氫未來有望逐步替代焦炭作為還原材料，推動鋼鐵工業的大規模脫碳（2019年全球鋼鐵行業直接碳排放量26億噸，約占全球碳排放總量的7-8%）。

1.2推廣前景：未來氫能可廣泛用于交通、電力、建筑領域

?交通方面，各國積極推廣氫燃料電池汽車，已初具規模，氫車在商用車領域逐漸滲透；未來在航空、船舶領域也有望進行替代。

?建筑方面，主要包括天然氣摻氫輸送、燃料電池熱電聯供等。未來氫氣有望在燃氣、供熱等方面逐步替代天然氣，并為住戶提供部分電力。

?電力方面，氫可以作為電能儲存的介質，未來有望用于長時儲能，或參與全球運輸和貿易，實現電能在時間和空間上的調節。

?IEA預計，在2050年全球“凈零排放”目標下，2030年，全球氫能應用規模需達到2億噸。

IEA“凈零排放”情景下，全球氫能應用需求

1.3各國重視氫能的戰略地位，大力推動氫能產業發展

1.4產業展望：供應端技術持續突破、基礎設施完善；應用端萬億市場加速爆發

制氫環節：綠氫蓄勢待發

氫能產業鏈主要包括制氫、儲運、加注和下游應用四個環節

氫能產業鏈全景圖（括號為國內2030年新增產值估計）

制氫環節參與者全景圖

2.1制氫路線：三種制氫路線共存，可再生能源電解水制氫是“終極路線”

?三種制氫路線：“成本”短期制約，“可持續”長期引領。氫氣制備方式主要包括化石燃料制氫、工業副產氫和電解水制氫三類。

?化石燃料制氫是以煤或天然氣為原料還原制氫的傳統方案，技術成熟、成本最低，但碳排放量高，且化石燃料不可再生，產能擴張空間有限，存量產能將逐步結合CCUS技術，以降低排放。

?化工副產氫是氯堿，輕烴利用等化工工藝獲得副產氫的方案，成本較低，但制備規模取決于主產品制備規模，擴張空間有限，可作為補充性氫源。

?電解水制氫是利用水的電解反應制備氫氣的技術，可再生電力制氫稱為“綠氫”，是零碳排、可持續的“終極路線”，但目前成本仍是制約其普及的瓶頸因素，其規模化應用需要產業鏈各環節推動降本。

2.2全球氫氣產能以化石燃料制氫為主，清潔制氫存在替代空間

?目前全球氫氣生產以化石燃料制氫為主，清潔制氫存在替代空間。

?2021年全球氫氣總產量為9400萬噸，其中化石燃料制氫占80%以上，清潔制氫（電解水/化石燃料+CCUS）占比不到1%。

?現階段，我國氫氣產能約4100萬噸/年，產量約3300萬噸，產能規模全球領先，但同樣以化石燃料制氫為主（近80%），清潔制氫存在廣闊的替代空間。

?未來清潔制氫方案將成為主要增量。IEA預測，到2030年，全球氫氣產量將達到1.8億噸，較2021年的0.94億噸翻倍增長。其中，主要的增量產量將由電解水制氫滿足，電解水制氫產量將從2021年的不到4萬噸大幅增長至6170萬噸；耦合CCUS的化石燃料制氫產量將從2021年的60萬噸增長至3300萬噸，清潔制氫方案將成為主流。

2.3全球市場：電解水制氫步入快速成長期，電解槽裝機和擴產提速

?電解槽裝機步入高速成長期。電解槽是用于電解水制氫的主要設備。經歷了一定時間的技術布局和產業鏈發展，全球制氫電解槽裝機步入快速成長階段，2021年全球新增裝機209MW，同比增長2.4倍；IEA預計，2022和2023年全球制氫電解槽新增裝機將分別達到0.9和4.1GW，總裝機分別達到1.4GW和5.5GW；凈零排放目標下，2030年全球制氫電解槽累計裝機將達到720GW。

?中國和歐洲引領，全球電解槽產能高速增長。IEA統計，2021年全球電解槽總產能8.0GW/年，其中歐洲和中國產能分別為3.5和2.9GW，占比分別為44%和36%。IEA預計，2023/2025年全球電解槽總產能將分別達到21.5和45.1GW/年，歐洲和中國電解槽產能合計占全球的85%/68%；2021-2025年全球電解槽總產能復合增長率達到54.1%。

2.4國內市場：電解槽招標再創新高，綠氫賽道爆發在即

?2022年電解槽出貨量同比翻倍。GGII初步統計，2022年國內電解水制氫設備出貨量達到722MW（含出口，不含研發樣機），同比大幅增長106%。其中，中石化新疆庫車綠氫示范項目貢獻比例最大，安裝52臺單槽制氫能力1000Nm3/h的堿性電解槽，功率規模約240MW，占全國出貨量的1/3。

?2023年一季度，氫電解槽招標量已達到452MW。氫云鏈統計，2023年第一季度國內氫電解槽公開招標量452MW，相當于2022年全年出貨量的60%，已超過2021年全年出貨量。綠氫電解槽賽道爆發在即。

2023年第一季度國內電解槽招標情況

2.5商業模式：風光制綠氫模式起量，化工領域綠氫替代加速

?2023年以來，國內綠氫項目進展加速。根據公開信息統計了年初以來（截至2023.4.15）國內綠氫項目動態情況，共有30個項目公布了最新進展，包括項目簽約、備案、開工、投產等。上述項目全部達產后，預計綠氫年產能合計可達到42.9萬噸。

?供電方式：風光聯合供電制氫占據主流。統計項目中，16個項目為風電+光伏聯合供電，對應綠氫產能共32.86萬噸/年，占統計項目規模的77%。風光聯合供電項目占比高，部分由于本次統計包含了1月內蒙古公示的15個風光制氫一體化示范項目（11個為風光一體，4個為風電），內蒙古作為國內綠氫基地發展的主要省份，風電資源較為豐富，部分影響了綠氫項目的電源選擇。同時，由于風光發電時段存在互補，風光聯合制氫有助于延長每日制氫時長、降低耗電成本，助力綠氫項目顯現經濟性。

?應用場景：大規模綠氫制綠氨率先放量。統計項目中，14個項目下游應用于合成綠氨，對應綠氫產能32.86萬噸/年，占統計項目規模的75%。值得注意的是，公布制氫規模的22個項目中，15個年制氫1萬噸以上，下游均用于化工合成；明確用于交通領域的項目多為小規模站內制氫，產能共0.74萬噸/年。以合成氨為代表的化工應用，或將成為大規模（萬噸級）制氫項目的優選應用場景。

傳統制氫路線仍存在機遇

3.1化石燃料制氫：應用廣泛的傳統方案，提純和CCUS環節存在設備投資潛力

?煤氣化制氫和天然氣蒸汽重整（SMR）制氫是化石燃料制氫的兩種主流方案。煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發生分步反應制備的氫氣。其原理為：煤(C)在氣化爐中與水蒸氣反應生成CO和H2，CO進一步與水反應生成H2和CO2。天然氣制氫主要為天然氣中的甲烷與水蒸氣發生分步反應生成的H2，反應前通常需對天然氣進行脫硫處理，防止催化劑中毒。

?我國化石燃料制氫以煤制氫為主。一方面，我國的化石能源儲量呈現“富煤少氣”特點，煤儲量更為豐富；另一方面，我國天然氣含硫量高，預處理工藝復雜，導致在我國天然氣制氫經濟性低于煤制氫。

?煤制氫路線中，制備環節設備投資增量可能有限。煤制氫的核心設備是煤氣化爐，為大型設備，固定成本高，適用于大規模集中化生產。現階段存量煤氣化爐的制氫潛力較充足，在氫能應用的過渡階段可提供補充氫源，但不排除產生增量設備投資的可能。

?提純、碳捕集環節帶來廣闊的潛在設備需求。化石燃料制氫需經過提純工序，方可在燃料電池中使用；制氫反應產生大量二氧化碳，需要結合CCUS(碳捕集、封存和利用)技術，以降低碳排放。提純和碳捕集環節存在較為廣闊的設備投資空間。

煤制氫工藝流程

3.2 CCUS：化石燃料制氫伴隨大量碳排放，需要配合CCUS技術

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）即碳捕獲、利用與封存。CCUS是指將CO2從工業、能源利用或大氣中分離出來，循環利用或永久封存的過程，是實現碳中和目標技術組合的重要構成部分。

化石燃料制氫+CCUS將成為制氫的重要路線之一。IEA測算，若全球要在2050年達到“凈零排放”目標，2030和2050年全球化石燃料+CCUS制氫產量分別需要達到0.98和2.01億噸。根據IEA最新預測，2030年全球氫氣需求量1.8億噸，耦合CCUS的化石燃料制氫產量將從2021年的60萬噸增長至3300萬噸，經過CCUS脫碳的化石燃料氫將在較長時期內作為氫能的重要組成部分。

3.3 CCUS主要參與者：制冷設備、油氣設備企業試水碳捕集與應用

?CCUS技術中，與化石燃料制氫直接銜接的是尾氣碳捕集環節。二氧化碳捕集包括捕獲分離、凈化和壓縮等工藝，本質是一種氣體分離過程。其技術路線包括醇胺法、氨法、膜分離法、深冷法等。目前，醇胺法和氨法是國內外二氧化碳捕集最成熟的技術，我國醇胺化學吸收法技術已達國際水平。化學吸收所需設備主要為吸收塔，捕集和儲運環節還需要增壓機組、液化設備等裝備。

?制冷設備、油氣設備企業是CCUS相關設備賽道的主要參與者。二氧化碳增壓機組、二氧化碳制冷機組及液化設備是碳捕集領域的重要設備，冰輪環境、冰山冷熱等企業憑借自身技術積累布局相關領域；惠博普、廣匯能源等油氣設備企業則憑借產業鏈相關優勢，發力CCUS整體解決方案，提供從二氧化碳捕集裝置、輸氣管道到驅油設施的全套裝備及工藝包。此外，前文提及的變壓吸附和深冷分離賽道相關企業也有進入CCUS領域的潛力。

3.4工業副產氫：經濟效益優良的過渡路線

工業副產氫指生產化工產品時同時得到的副產物氫氣，成本介于化石燃料制氫和電解水制氫之間。焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用（丙烷脫氫、乙烷裂解）、合成氨合成甲醇等

工業均會產生副產物氫氣。目前，國內工業副產氫部分作為化工原材料或鍋爐燃料使用，也存在部分放空，整體使用效率不高。工業副產氫經濟效益優良，制取成本在9.3元-22.4元/kg之間，低于電解水制氫，可作為制氫的過渡路線。

3.5提純：化石燃料制氫和化工副產氫均需提純，變壓吸附是主流方法

?化石燃料制氫和化工副產氫均需經過提純工序，產品純度和特定雜質含符合燃料氫氣標準（GBT37244-2018）后方可用于燃料電池。

?現階段氫氣提純主要有變壓吸附（PSA）、深冷分離（低溫精餾）、膜分離、色譜分離和吸收法等方法。其中，變壓吸附法和深冷分離法在工業生產中技術最為成熟。

?變壓吸附法由于產品純度高、設備投資成本適中，是目前最廣泛使用的氫氣提純方法；深冷分離法適用于大規模生產，未來在集中制氫環節存在一定的推廣潛力

提純：關注變壓吸附工藝提供商、深冷分離設備商

?變壓吸附法（PSA）的核心在于專用吸附劑（分子篩）的研發，設備環節吸附塔結構、閥門和控制系統的設計對變壓吸附的效果和系統壽命同樣具有顯著影響。變壓吸附技術主流供應商為掌握吸附劑研發技術的化工企業，開發相應的工藝和成套裝置，向下游客戶提供整體解決方案。世界三大變壓吸附技術供應商包括美國UOP、德國林德和我國西南化工研究設計院（上市主體為昊華科技）。建龍微納是國內分子篩龍頭，已具備制氫分子篩產品，是國內少數具備萬噸制氫分子篩材料產能的企業、?深冷分離法采用大型成套設備，由冷箱、換熱器、精餾塔等組成。設備企業掌握深冷工藝及設備制造能力，可提供整體解決方案。

深冷分離賽道國內主要參與者包括蜀道裝備（已擁有煤化工/焦爐煤氣/煤制乙二醇深冷分離制氫等業績）、中泰股份（可以做煤制氫和PDH制氫的分離提純）、杭氧股份（主營業務為空分設備，在烷烴脫氫、一氧化碳/氫氣深冷分離等設備關鍵技術上不斷取得突破）等。

綠氫：電解槽和材料存在壁壘

4.1電解水制氫主要有4種技術路線

?電解水制氫主要有堿性電解(ALK)、質子交換膜電解(PEM)、固體氧化物電解(SOEC)和陰離子交換膜(AEM)四種方法。

?堿性電解(ALK)是在堿性電解質溶液(通常為KOH)中完成的電解過程，OH-離子經隔膜到達陽極，失去電子產生O2，水在陰極得到電子，產生H2和OH-。

?質子交換膜電解(PEM)是對純水進行電解，H2O分子在陽極氧化生成氧氣和H+離子，H+(質子)在電場作用下通過質子交換膜遷移至陰極并發生還原反應生成氫氣的方法。

?固體氧化物電解(SOEC)是在高溫狀態下將水蒸氣電離生成氫離子和氧離子，分別在電極上生成氫氣和氧氣的過程，其反應溫度通常在600℃以上，適用于產生高溫、高壓蒸汽的光熱發電系統。

?陰離子交換膜電解(AEM)通常采用純水或低濃度堿性溶液作為電解質，反應過程為：OH-經交換膜到達陽極生成水和氧氣，水分子在陰極生成OH-和氫氣。

電解水制氫工藝路線比較：各有千秋

?堿性電解（ALK）特點：

?優勢：目前技術最成熟、設備成本低

?局限：有腐蝕液體；運維成本高；理論效率低于PEM、SOEC等路線；較難應用于間歇性電源

?質子交換膜電解（PEM）特點：

?優勢：間歇性電源適應性高，易于與風光等可再生能源結合；運維成本低

?局限：設備成本高；需使用貴金屬催化劑

?固體氧化物電解（SOEC）特點：

?優勢：理論效率高；可使用非貴金屬催化劑

?局限：高溫環境反應，應用場景有限；處于實驗室研發階段，尚未實現產業化

?陰離子交換膜電解（AEM）特點：

?優勢：兼具堿性和PEM的優勢：材料成本低；電解液為稀堿液或水，腐蝕性低，且無需貴金屬催化劑

?局限：陰離子交換膜量產難度大，仍在研發階段

電解水制氫的三種主要工藝路線比較

4.2堿性電解路線成熟，PEM成長性強，SOEC、AEM后續潛力優良

?從電解槽的裝機容量來看，堿性電解是目前的主流路線，PEM路線成長迅速。堿性電解是目前最成熟的路線，IEA根據現有氫能項目部署情況估算，2022年全球堿性電解槽累計裝機量至少為727MW（部分項目未披露技術路線），占總裝機規模的52%。PEM電解槽裝機占比不斷提升，2022年累計裝機至少為366MW，同比增長近200%；2023年累計裝機量有望接近堿性電解槽，超過1GW。

?PEM、SOEC、AEM方案具有優良的降本增效潛力。提高電流密度是降低電解槽設備單位投資成本的關鍵因素，但電流密度的提升通常伴隨著電解槽電壓的升高，從而導致電解效率下降。如右下圖所示，PEM、SOEC方案可以實現更高的電流密度和更低的電壓，降本增效的潛力優良，未來技術成熟后存在替代空間。此外，目前處于研發階段的AEM路線理論效率與PEM相近，但無需貴金屬催化劑，原材料成本低廉，若可實現產業化，亦存在優良的降本推廣潛力。

全球各類電解槽累計裝機規模

4.3堿性電解槽：由電解小室堆疊而成，電極、隔膜和密封墊片是關鍵材料

?電解槽是電解水制氫的核心設備。電解水制氫裝置包括主體設備、輔助設備（BOP，Balance of Plant）及電控設備三部分。主體設備由電解槽和附屬設備一體化框架組成，電解槽為核心設備；輔助設備包括水箱、堿箱、補水泵和氣體減壓分配框架等；電控設備包括整流柜，配電柜等。電解槽是電解反應發生的主要場所，由多個電解小室堆疊而成，是一種高度模塊化的系統。

?堿性電解槽由多個電解小室構成，電極、隔膜和密封墊片是關鍵材料。堿性電解槽通常呈圓柱形，可采用串聯單極性或并聯雙極性壓濾式結構，由螺栓和兩塊端壓板將極板夾在一起，形成多個分隔的小室，每個小室由電極、隔膜、墊片、雙極板組成。電極、隔膜和密封墊片是堿性電解槽的關鍵材料。電極通常采用鎳網或泡沫鎳，其性能對電流密度和電解效率有決定性影響，其成本約占系統成本的28%；隔膜用于將兩極隔離開，要求保障氣密性的同時，降低電阻以減少電能損耗；密封墊片用于解決極片之間的絕緣問題，其絕緣性能對電解效率、安全、系統使用壽命均有影響。

4.4 PEM電解槽：結構和性能優勢突出，材料成本較高

?PEM電解系統主要由電解槽和輔助系統（BOP）組成。電解槽是電解反應制氫的核心裝置，輔助系統則用于原材料（水）的處理、系統循環和氫氣產物的干燥純化等，主要包括電源供應系統、氫氣干燥純化系統、去離子水系統和冷卻系統等部分。

?PEM電解槽采用質子交換膜作為電解質，結構和性能具有一定優勢。PEM電解槽同樣由多個電解單元堆疊而成，每個單元均由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層和雙極板構成。PEM電解槽使用質子交換膜作為固體電解質，替代了堿性電解槽使用的隔膜和液態電解質(KOH溶液)，內阻更小、內部結構更為緊湊，電解效率大幅提高，規模選擇也更為靈活；PEM電解采用純水而非堿液作為電解原料，產氫純度較堿性制氫更好。然而，PEM電解在強酸性環境下進行，需使用貴金屬催化劑，導致成本較高。

4.5 PEM電解槽：質子交換膜依賴進口，有待國產突破

PEM電解槽關鍵原材料有待國產化。目前，國內PEM電解槽產業規模較小，主要原因為關鍵材料質子交換膜生產技術由歐美、日本等巨頭壟斷，國內電解槽廠商使用的質子交換膜主要向杜邦進口，成本和供應鏈均面臨一定壓力。此外，PEM電解槽使用的貴金屬催化劑也存在進口依賴性。國內PEM電解槽產業的發展，需要國產關鍵材料環節的進一步突破。

4.6電解槽全球競爭格局：中國和歐洲企業產能規模領先，主要參與者積極擴產

從產能布局來看，中國和歐洲企業產能規模領先，主要參與者積極擴產。2022年11月，BNEF估計了全球各大電解槽企業產能規劃情況，2022、2023年底預計產能排名前20企業分別如下。根據以上數據，2022年底，全球電解槽產能Top 20企業產能共計14GW，其中中國企業8家，產能共計6.7GW，以ALK路線為主；歐洲企業9家，產能共計4.7GW。2023年底，預計全球電解槽產能Top 20企業產能共計26.4GW（同比+89%），其中中國企業9家，產能共計9.1GW；歐洲企業7家，產能共計10.2GW。

2023年底電解槽預期產能全球前20的企業

4.7電解槽國內競爭格局：2022年CR3達到73%，新入者層出不窮

?從出貨規模來看，考克利爾競立、派瑞氫能和隆基氫能居國內企業第一梯隊。GGII統計，2022年我國電解水制氫設備出貨量722MW（含出口），同比增長106%。考克利爾競立出貨230MW，排名維持第一；派瑞氫能位居第二，隆基氫能首次躋身第三。

?市場玩家增加，國內市場集中度有所下降。我國電解槽出貨量TOP3廠商2022年共計出貨527MW，市占率合計73%，CR3較2021年下降10個百分點。這意味著隨著國內電解槽參與者增多，市場集中度有所下降。值得注意的是，2022年國內出貨量TOP3的電解槽廠商最大訂單均來自中國石化新疆庫車綠氫示范項目，該項目共采購52臺1000標方堿性制氫設備。因此，若不考慮大訂單，國內電解槽市場集中度或許進一步下降，市場仍處于高成長、競爭格局未確定的階段。

2022年中國電解水制氫設備廠商出貨量TOP 10

4.8海外參與者：PEM路線為主，歐美企業實力強勁

審核編輯 ：李倩