我最近翻閱了一些關于電解水的資料，這個2020年全球也不過90MW裝機規模的產業關心的人實在不多，因為相關的專業資料太少，我不得不請教行業內的專家來口述這個行業的歷史。也許是因為它跟水有關，跟氫和氧有關，跟生命有關，我們發現，電解槽的發展歷史居然與人類工業發展歷史、與中國工業發展的歷史高度契合。
Industry Observer@01
國際市場:源自軍用航天的基礎工業
氫氣的制取由來已久，1783年法國物理學家夏爾鋰提出用硫酸和鐵作用制取氫氣。同年，拉瓦錫設計了成本低廉的水蒸氣通過灼紅的槍桶制取氫氣。1800年，世界上有了電解水制取氫氣和氧氣。到十九世紀中葉，開始有了煤氣化制氫。十九世紀后半期，開始采用鐵—汽法制取氫氣。
電解水技術來自于航天科技，最早是為了生產航空燃料，因為航空基地很偏遠，需要氫氣，而又不能從遠處運輸過去，保密的需要也不能在當地建化工廠，所以需要就地解決氫的來源。
1800年，Nichoson和Carlisle首先以電解法提取了氫氣和氧氣，1888年俄國的拉奇諾夫取得第一臺單極性電解槽的專利，二十世紀開始，德國的Garuti和Schuc Kert提出第一臺實用性的單極性電解槽的設計，德國的Schmidt-Oerikon 提出第一臺雙極性電解槽設計。
電解槽的產業化是基于工業用氫的需求。1927年，世界第一臺大型壓濾式電解槽裝置在挪威的諾托登(Notodden)安裝，由海德魯公司(Norsk Hydro)制造，當時的產氫量規模是10000m3/h，生產的純氫用于化肥生產試驗，這是NEL Hydrogen的前身。這一技術到1965年發展到90000m3/h。
1939年，世界第一臺大型箱式電解槽在加拿大安裝，產量規模為17000m3/h；1945年后，世界上已經有近十家電解水企業。1958年印度又安裝了26000m3/h壓濾式電解槽生產裝置；1960年和1977年埃及分別安裝了41000m3/h和21600m3/h壓濾式電解槽生產裝置。
1960年以前，電解槽著重在安全、可靠性和操作維護方面進行改進。堿性電解槽發展主要經歷了從常壓到加壓，從石棉隔膜到非石棉隔膜電解槽，從小規模到大規模，目前加壓非石棉隔膜的兆瓦級產品成為堿性電解槽的主流產品。
1948年Zdansky-Lonza設計了壓力電解槽，把電解槽的操作壓力提高到30kg/m3，并由Lurgi公司進行制造。1958年產氫量為5000Nm3/h的壓力電解槽在秘魯的庫斯科安裝。壓力電解槽可以降低操作電壓，同時亦可以節省壓縮消耗的電能，這是一項重大的改進。
我國是比較早研究壓力電解槽的國家，中船718所于上世紀60年代中期開始研究，并在70年代的時候開始產業化。到2001年，NHEL（NEL前身）的第一個加壓電解槽才推出市場。不過，NEL是1988年在全球最早推出非石棉隔膜電解槽的企業。
另一條正在趨于成熟的技術路線是PEM電解槽，是20世紀60年代由燃料電池技術派生出來的一條技術路線，來自于航天器上利用燃料電池的逆反應制氫。最早是GE公司推出用在宇宙飛船的備用系統， 1962年杜邦公司改良了質子膜，20世紀80年代推出民用氫氣發生器。
圖1 PEM電解槽的電解水原理
1996年以來，美國的Proton OnSite公司開始與聯合技術航空航天系統合作，為航空航天和海軍開發和制造質子交換膜電解槽，成為全球PEM電解槽行業的龍頭。
因為PEM電解槽更能適應可再生能源的波動性，所以，國際市場上更多的目光都投向了這個方向。2017年，挪威Nel收購美國Proton OnSite獲取領先的PEM電解技術，成為世界上最大的電解槽公司；康明斯完成收購Hydrogenics水吉能；2019年陽光電源與中國科學院大連化學物理研究所簽訂制氫產業化戰略合作協議，開始大功率PEM電解制氫技術的產業化研究。
目前，PEM水電解制氫已步入商業化階段，但制約技術大規模發展的瓶頸在于膜電極選用被少數廠家壟斷的質子交換膜，陰、陽極催化劑材料需采用鉑、銥等貴金屬，且電解能耗仍然偏高。
圖2 電解槽發展的幾個階段
目前，國內外非貴金屬催化劑研究已取得一定的進展。另外，基于融合堿性水電解和PEM水電解各自優勢的研究思路，采用堿性固體電解質替代PEM的堿性固體陰離子交換膜（AEM）水電解制氫技術成為新方向。據相關科學家稱，新的電解制氫有望將堿性和PEM電解槽的成本降低30%。
2014年歐盟提出PEM水電解制氫技術發展目標：第一步開發分布式PEM水電解系統用于大型加氫站，滿足交通用氫需求；第二步生產10、100、250 MW的PEM電解槽，滿足工業用氫需求；第三步開發滿足大規模氫儲能需求的PEM水電解制氫系統。
2015年SIEMENS、Linde Group等公司在德國美因茨能源園區投資建設全球首套MW級風電PEM水電解制氫示范項目，氫氣供應當地加氫站、工業企業，富余氫氣直接注入天然氣管網。當可再生電力價格低于3歐分/kWh，項目啟動PEM水電解制氫設備，反之上網發電。煉油、化工、鋼鐵等碳密集型行業也是PEM水電解制氫重要的應用場景。
2019年Shell和ITM Power合作，在德國Rheinland煉油廠建設10 MW可再生能源PEM水電解氫工廠，每年可為煉廠提供1300 噸綠氫。
目前，PEM制氫開始研究海上風電制氫，Shell、SIEMENS、rsted、TenneT等公司正在推動歐盟海上風電制氫從概念設計走向示范應用。
上世紀70年代，第一次石油危機時，人類開始尋求替代能源就將氫氣譽為“清潔的氫能”，并對氫氣的制取方法有了更加廣泛的研究，包括化學循環法、熱分解法、光催化法等各種制氫方式。
在毛宗強、毛志明、余皓等編著的《制氫工藝與技術》（2021年）一書中，列舉了各種化石能源制氫、可再生能源制氫、生物質能源制氫等共19種。不過，因為成本的緣故，目前，主要制氫方式是化石燃料轉換制氫和工業副產氫。1974年全球產氫量3000萬噸，到現在還只有7000萬噸，其中電解水制氫不過4%左右。
Industry Observer@02
國內市場：兩條自主研發的裝備技術路線
電解槽不是一個大產業，但因為氫和氧都是常用的化學原料，所以，電解槽屬于基礎工業中必不可少的裝備。中國電解槽產業發展已有60多年，其間也有過成熟產品直接引進的經歷，但目前主流產品堿性電解槽和PEM電解槽的產品都是在共性理論基礎上獨立研發而成的。
（1）引進技術：常壓電解槽
因為中國沒有參與過第一次工業革命和第二次工業革命，很多基礎工業都是在上世紀兩次技術引進的大背景下形成的。第一次是上世紀50年代-60年代前蘇聯的156個援助項目下的技術引進；第二次是上世紀80年代改革開放，中國向歐美日等發達國家引進技術、設備、甚至是企業管理。
我國電解槽最早的生產技術也是50年代初期從前蘇聯引進到北京電子管廠的常壓電解槽，當時承接這一基礎制造的是東北地區的企業——哈爾濱聯合機械廠（行業內簡稱“哈機聯”），哈機聯推出的常壓電解槽DY-24、DY-75、DY-125等型號一度應用于我國工業生產特別是電子、化工廠。當時，廣州重型機械廠和上海重型機械廠參與了電解槽的技術“會戰”。
第二次技術引進的浪潮上世紀80年代，我國冶金行業和電子行業也在這一時期采購了一些進口的電解水設備，分別從德國和美國進口了一部分產品。
不過，今天在市場上的主流產品既不是60年代從前蘇聯引進的電解槽，也不是從80年代從歐美引進的電解槽，而是中國自主設計的加壓電解槽。
（2）軍工自主研發：加壓電解槽
1965年，畢業于天津大學燃料化學工學專業的許俊明開始從事水電解制氧工藝研究及設備設計研制工作，任水電解制氧裝置課題組長，1976年-1978年，因為我國核潛艇員需要呼吸氧氣，許俊明的課題組開發出中壓電解槽，并獲中國船舶工業公司科技進步三等獎、河北省科技進步二等獎、加壓水電解制氫（氧）系列產品已列入1990年國家級火炬項目計劃。
上世紀80年代中期，中國制造業以引進技術為主，獨立的研究機構資金來源遭遇挑戰，國家鼓勵廠所掛鉤，把設備推向社會化。許俊明與中國建材設計院探討工業應用，建材設計院提出，浮法玻璃需要的是氫而不是氧。
這樣，浮法玻璃成為我國電解槽民用市場規模化的第一個驅動力，718所的電解水制氫項目開始進入市場化，蚌埠玻璃廠、青島玻璃廠都開始采購電解槽。
第二個驅動力是電子領域，京東方的前生國營東光電工廠(簡稱878廠)、北京電子管廠(簡稱774廠)等電子企業也成為了加壓電解槽的用戶。
第三個驅動力是鋼鐵的還原劑對氫的需求，上世紀80年代中期，包鋼、首鋼、唐鋼、馬鞍山鋼鐵等企業也陸續采購了718所的加壓電解槽。
進入90年代，加壓電解槽已經做到單槽100Nm3以上，電解槽規格覆蓋80Nm3，100Nm3、120Nm3、125Nm3、200Nm3，至此，第一批蘇聯引進的常壓電解槽企業基本上已經退出市場，進口設備也基本上被國產設備所替代。
1992年，我國制造的加壓電解槽開始通過包鋼、杭氧等企業在蘇州推出成套出口，我國加壓電解槽設備走向了國際市場。
（3）市場化變革：“718大裂變”
電解槽進入蘇州還得從1992年7月18日開始說起。
90年代初期，各階層對中國的市場經濟出現了較大的分歧，身處軍工企業的718所也不例外，所里電解槽業務的紅火同樣遭遇了分歧，有人質疑科研院所的定位，此時，正值鄧小平南巡，718副總工程師許俊明堅定走市場化路線，就在1992年的7月18日帶領18個中國電解槽工程師南下蘇州，在當時的地方官員張碧航（現在競立的董事長）支持下成立了蘇州蘇氫設備公司，后來改為蘇州競立。
1994年，因為從北方到蘇州的一些工程師不適應蘇州的氣候環境和文化環境，蘇氫一分為二，一部分人留在了蘇州，而另一部分人則跟隨許俊明返回北方，落地天津——成立天津市大陸制氫設備有限公司。
至此，由718所在1992年的7月18日18個工程師南下的“718大裂變“就形成了我國加壓堿性電解槽行業三足鼎立的格局。
圖3 我國堿性電解槽三足鼎立的局面
最早成立公司的是1993年的蘇州競立；回到天津的科研人員于1995年成立天津大陸，718所于2008年成立了派瑞氫能科技有限公司。
不過，這并不是最終的結局，實際上，這個源自718所的裂變還在不斷演變，從現在的電解水制氫設備企業來看，中電豐業、隆基股份、凱豪達都有來自718、蘇州競立和天津大陸的工程師。
圖4 “718裂變”形成的溝內堿性電解槽主要企業
注：圖中“蘇州競立”包括了考克利爾競立
中電豐業成立的背景有別于其他氫能裝備公司，創始人王德軍是海軍出身，曾在軍隊做設備翻譯，從部隊退役后從事國外電解槽的代理，2018年引進股東山東濰焦創新投資管理有限公司，并在濰坊成立生產基地——山東海氫能源科技有限公司。
（4）新一代技術：PEM制氫
說PEM是新一代技術是相對的，因為堿性電解槽技術在國外的生產制造已經有220多年，但PEM電解槽是燃料電池的逆反應。1984年由電子工業部第十研究院編著的《氫氣生產與純化》一書中提到了多種制氫方法，其中電解水重點介紹了堿性電解槽，也提到了與PEM燃料電池逆反應的固體聚合物電解質電解槽（SPE）。
在我國，中科院大連物化所、718研究所對PEM電解槽已有較深的研究，2021年大連物化所與陽光電源合作聯合開發250kW（50標方）PEM電解槽，目前，該項目已經開始在鄂爾多斯市伊金霍洛旗展開示范應用。
不過，真正在PEM電解水領域投入時間最長、具有產業化基礎的國內企業是濟南的賽克賽斯。濟南市化工院的劉青藍教授自1988年開始研究PEM電解水技術，并在濟南設立了公司探索產業化，不過，直到劉教授夫婦到退休年齡他們經營的PEM電解設備也沒有盈利。2007年在地方政府的推薦下，當地醫藥器械公司賽克賽斯接手該項技術，并已經開發了四代該技術的氫氣發生器產品，公司產品在行業中獲得了BCEIA金獎，歐洲CE認證，出口美國，英國，韓國，日本等20多個國家，目前PEM電解槽已經升級到MW級能源產品。
2018年12月，賽克賽斯首臺兆瓦級50m3/h大型純水電解制氫設備中標佛山市藍箭電子股份有限公司項目，進入半導體行業；2020年9月，公司承擔的國家重點研發計劃重點專項“MW級固體聚合物電解質電解水制氫技術”項目完成中期驗收，2021年6月首臺套兆瓦級PEM制氫系統開機運行。
表1 國內主要電解槽企業
2021年12月9日，由中國石化資本公司發起設立的恩澤基金與康明斯按50：50比例共同出資并于中國境內設立合資公司——康明斯恩澤(廣東)氫能源科技有限公司。合資公司將康明斯領先的質子交換膜(PEM)電解水制氫技術在中國進行本地化生產。
Industry Observer@03
市場選擇：堿性電解槽與PEM電解槽的比較
目前，世界主流的電解水制氫技術路線包括堿性電解水制氫（ALE）、PEM電解水制氫（SPE）及固態氧化物電解水制氫（SOEC）三種。其中，相對比較成熟的是堿性電解槽和PEM電解槽。2020年-2021年，全球堿性電解槽裝機比例75-78%。
從挪威1927年推出世界第一套堿水制氫裝置算起，這項技術已經近200年的歷史，我國自主研發的堿性電解槽也有50年，是目前發展最為成熟、商業化程度最高的電解水制氫方式。堿性電解槽具有技術成熟、單堆規模大、一次性投入設備成本相對比較低、產品使用壽命周期長等優點。價格只有PEM電解槽的1/3-1/5。
不過，堿性電解槽的體積和重量是同等功率PEM電解槽的4倍以上，除了占地面積，流水線加工性也不如PEM電解槽；轉換效率相對比較低，一般在60%左右，而PEM在70%以上；而且堿性電解槽相對PEM響應速度比較慢，適合的負荷范圍比PEM窄，對可再生能源的適應性不如PEM電解槽；從維護性來看，堿性電解液以KOH為例，與空氣中CO2反應會形成不溶于水的碳酸鹽，進一步堵塞多孔催化層，降低電解槽性能，維護成本會比較高。
表2 主要電解槽性能比較
現階段綠氫成本還比較高，國內PEM電解產業化才剛剛起步，核心零部件還依賴進口，而且可能受制于貴金屬供應與成本；而我國堿性電解槽特別是加壓式堿性電解槽并不落后，單槽規模在國際市場相對領先，有一定的競爭優勢。
不過國內外電解槽在設計上也有一些區別，國外企業一般用多個電解槽模塊組合集成，他們認為這樣更便于后市場維護；國內更強調單機產氫量規模，這樣相對成本比較便宜。
因為堿性電解槽和PEM電解槽性能上的差異，堿水更適合穩定性電源，如水電或網電，而PEM電解槽在波動的可再生能源場景有更好的適應性。
歐盟規定了電解槽響應時間小于5秒，目前只有PEM電解水技術可以達到這一要求。為此，歐盟規劃了PEM電解水逐漸取代堿性電解制氫的方案。2020年7月，歐盟委員會發布了氫能戰略規劃，重點發展利用風電、光伏等可再生能源來生產可再生氫。
2020年-2024年，支持安裝超過6GW可再生氫電解槽，產氫量達到100萬噸；2025年-2030年，建設40GW可再生氫電解槽，產氫量達到1000萬噸；2030年-2050年，可再生氫產業成熟，將在眾多難以脫碳的行業，如航空、海運、貨運交通領域展開大規模應用。
Industry Observer@04
行業前景：市場突變，企業需有備
據1984年出版的《氫氣生產與純化》一書記載，到1974年全球氫氣產量3000萬噸，其中電解水制氫只有4%；而到現在40多年年過去了，全球氫氣產量7000萬噸，其中電解水制氫依然不到5%，在我國更是只有1%左右。
顯然，在過去相當長的時間里，電解水是一個規模不大且成長性不高的產業。就連全球最大的電解槽企業NEL的營收也不到8億挪威克朗，而且大部分電解槽企業都不是公眾公司，很難拿到準確的銷售數據，不過從國內外項目招投標情況來看，國外PEM制氫近年示范應用比較多，國內堿水電解槽更加活躍。
圖5 NEL近年收入
數據來源：NEL
但這一產業正在因為“碳達峰、碳中和”而發生深刻的變化。2021年被視為電解水制氫的分水嶺，從全球范圍來看，在這個極度爆發的市場我們很難準確預測未來5-10年的規模。
據彭博新能源財經（BNEF）氫電解器數據庫信息，2020年全球完成電解槽項目裝機90MW，2021年達到240MW，但很多項目都是長周期和大規模的投入，電解槽出貨量在2022年將翻兩番，至少達到1.8GW，中國在全球裝機量中預計占60-63%。
根據開發商披露的信息，到2030年，全球累計裝機量會超過40GW。其中堿性電解槽因經濟效益更好將繼續主導市場，2022年市場份額為80%。
圖6 國際市場規劃綠氫制造項目
在歐洲的綠氫規劃里，2020—2024年，支持安裝超過6GW 的可再生氫電解槽，產氫量達100萬噸；2025—2030年，建設40GW 的可再生氫電解槽，產氫量達 1000萬噸；2030—2050年，可再生氫產業成熟，在眾多難以脫碳的行業（如航空、海運、貨運交通等）進行大規模應用。
根據國際能源研究中心數據，2050年電解水制氫市場份額有望從現階段的不到1%提高至70%，電解系統市場規模預計可以超過7000億。
余卓平教授預測，到2030年，風電、太陽能發電總裝機量將達到12—16億千瓦時，按照可再生能源電解水制氫5%比例配置，裝機規模有望達到70GW，到2060年，我國電解槽裝機規模有望達到400GW，綠氫年產量提升至1億噸。
全球范圍內，電解槽核心廠商主要包括Nel Hydrogen、Elogen、H-TEC Siemens、Proton OnSite和Cummins等。其中，Cummins通過收購Hydrogenics進入到燃料電池和電解槽領域。日本松下在燃料電池和電解水領域都有大量的投入，企業技術在全球領先。
對老牌工業企業來說，巨大的市場空間是值得投入的，近期德國的Thyssenkrupp、美國的Honeywell International也宣布要進入電解槽市場。
Proton On-site、Hydrogenics、Gin-er、西門子等相繼將 PEM 電解槽規格規模提高到兆瓦級。其中，Proton onsite 公司的 PEM 水電解制氫裝置的部署量超過 2000 套（分布于 72 個國家和地區），擁有全球 PEM 水電解制氫 70% 的市場份額。Proton Onsite2014年被挪威的NEL收購，不斷兼并重組的NEL目前已經成為全球最大的電解槽制造商。
表3 世界電解槽龍頭Nel發展歷史
資料來源：根據氫云鏈資料整理
從國際市場看，過去十年各地持續推出了綠電制綠氫項目，2010 年前后的多數電解制氫項目規模低于 0.5 MW，而 2017—2019 年的項目規模基本為1~5 MW。項目規模逐漸達到10MW級以上、甚至100MW。
近年比較有影響力的項目包括：日本NEDO，東芝能源系統，東北電力，以及巖谷產業2020年投產的10MW項目，于2020年2月底竣工并投入運行；Evolugen和Gazifère Inc.計劃在加拿大Outaouais地區建造并運營一座約20MW的電解水制氫工廠；德國可再生能源電解制氫的“Power to Gas”項目運行時間超過了 10 年。
2016 年西門子股份公司參與建造的 6MWPEM電解槽與風電聯用電解制氫系統，年產氫氣200噸，已于2018年實現盈利；
2019年德國天然氣管網運營商OGE公司、Amprion 公司聯合實施Hybridge100 MW電解水制氫項目，計劃將現有的OGE管道更換為專用的氫氣管道。
2019 年，荷蘭啟動了PosHYdon項目，將集裝箱式制氫設備與荷蘭北海的電氣化油氣平臺相結合，探索海上風電制氫的可行性。
西門子能源和法液空2021年簽署了一份協議，在合作框架內，西門子能源和液化空氣將聯合申請歐盟“歐洲綠色協議”和“歐洲共同利益重大項目”（IPCEI）-氫計劃下的大型項目資金，該計劃由法國和德國政府資助。
蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司與加拿大魁北克水電公司簽訂“綠氫”合同，建立一個88兆瓦的電解水工廠，該項目將于2023建成投運，地點設在魁北克的瓦倫內斯，每年預計生產11,100噸的綠色氫氣。
我國2018年開始啟動與能源相關的電解水制氫項目，2020年、2021年綠氫項目已經在各大能源公司展開。目前，國內主要的綠氫項目是堿水制氫，但我們觀察到三峽集團、中石化的項目選擇了PEM制氫，而且中石化與康明斯在佛山成立了PEM制氫的合資公司。
表4 國內綠氫項目（不完全統計）
按照可再生能源配合要求，由可再生能源發電企業按照不小于15%（時長4小時）的方式配置調峰資產，未來電解槽在儲能方面的需求將會率先啟動。
據電解槽制造企業反映，目前國網、南網、國電投、中石化、三峽集團、大唐、中車集團、華能等能源企業都在規劃相關綠電項目。
電解槽行業不純粹是產品的生產，設備做的越來越大，本質上是一個產品+工程的行業模式，至今還是手工作業為主，Know-How體現在工藝和經驗上，所以，盡管行業趨勢比較好，技術也比較成熟，但專業人才的培育需要時間，這是一個安全要求較高的產業，安全管理更需要實踐經驗，對于新進入的企業來說，對工藝的積累是最難跨越的門檻。
