大标方PEM已验证！性能、寿命、成本三大短板怎么补齐？

近日，在国际权威机构SGS全程见证下，兰石集团自主研发的1000Nm³/h高效低成本PEM电解水制氢系统，完成72小时工业性试验，各项性能指标均优于设计标准，标志着兰石集团在大标方PEM电解水制氢装备领域达到国内领先、国际一流的装备研发制造水平，为推动甘肃省新能源资源优势转化为氢能产业发展优势进一步奠定装备基础。

在风光电资源向氢能产业转化的进程中，PEM 系统的核心优势在于其毫秒至秒级的动态响应能力和5%至120%的宽负荷调节范围，使其能够紧密跟随光伏出力和风电功率的瞬时波动，将间歇性、不稳定的绿电实时转化为高纯度（≥99.99%）氢气，真正实现“绿电应发尽发、波动应消尽消”，从根本上解决了风光电并网消纳难、弃电率高的瓶颈问题。相较于ALK系统受限于电解液热惯性和低负荷安全边界、难以适配波动性电源的固有不足，PEM 技术为构建“源-网-氢-储”一体化绿氢体系提供了关键装备支撑，是打通可再生能源规模化制氢“最后一公里”的核心技术路径，对于我国落实“双碳”战略目标、推动能源结构绿色转型具有重要的产业价值和战略意义。

近几年，我国在PEM制氢关键技术方面取得了显著成效，槽规格不断突破，多家企业推出了单槽产氢量200m3/h(标准状态)以上的产品，其中国家电投集团氢能科技发展有限公司单槽产氢量高达400m3/h(标准状态)。电解槽作为整个PEM制氢系统的核心组件，由数个单电池在电气上串联，在液压上并联，采用压力板固定单电池组件，并通过螺栓提供夹紧力，确保电解堆的性能，目前国内最大单槽规模为2MW。膜电极被称为电解槽的“心脏”，主要采用CCM工艺，将催化剂涂覆在质子交换膜的两侧。国内PEM膜电极的生产厂家已有数十家。高工产业研究院(GGII)的调研结果显示，国内中小型商用PEM电解槽所使用的质子交换膜已基本实现国产化，基本使用的是全氟磺酸膜，代表厂商有东岳未来氢能、科润新材料、武汉绿动等。催化剂国产率突破20%，其中阳极催化剂多为氧化铱，阴极催化剂多为铂碳，中科科创、济平新能源、枡水科技等为主要的催化剂研发生产企业。浙江菲尔特、玖昱科技等虽然已经布局气体扩散层领域，但当前90%以上仍然依靠进口，目前阳极气体扩散层以表面涂覆贵金属的钛毡为主，阴极选用碳纸。双极板基本实现国产化，通过冲压或蚀刻工艺制备，以钛双极板为主，表面涂层为贵金属，浙江菲尔特和金泉益生产的双极板在性能和寿命方面表现良好(见表1)。

整体来看，国内PEM电解槽零部件供应链逐渐形成，同时在电流密度、能耗、贵金属用量等方面均有所提升，但其性能、寿命和成本仍是大规模商业化应用的主要制约因素。

1.性能不足

国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模为400m3/h(标准状态)，相比于国外单槽1000m3/h(标准状态)尚存在较大差距。此外，关键组件与国际先进水平也存在一定差距，尤其是在电流密度、电堆直流能耗、冷启动时间、阳极催化剂载量等方面相对滞后。国内外关键组件技术水平对比见表2。

表2   国内外关键组件技术水平对比

2.寿命较短

影响电解槽寿命的因素较为复杂，往往单个因素就会诱发出现多个不利状况。从单一因素来讲，首先，质子交换膜在使用过程中可能会发生机械衰减、化学衰减和热衰减，导致膜的降解失效，机械衰减可以通过规范操作避免，但是后两者是不可逆转的。其次，阴阳极催化剂在长时间使用后，会发生溶解、剥落、中毒、团聚现象。此外，双极板在高电位、高湿度、富氧富氢的环境中，容易发生氢脆、钝化和腐蚀现象，这些都会影响电解槽的使用寿命。当然，输入功率的波动性、水质不纯、运行异常等也会对寿命产生负面影响。从连锁效应来讲，组件的腐蚀会产生杂质离子，杂质离子会加速膜的降解和催化剂的失效，进而导致槽压升高，槽压升高又会加快组件腐蚀，最终严重降低电解槽的使用寿命(见图1)。目前，国内PEM电解槽的寿命尚未经过实际工况的验证，实验室测试在50000h左右，相比于国外60000～80000h差距明显。

图1  PEM电解槽寿命主要影响因素

3.成本过高

电解槽是PEM电解水制氢系统中成本占比最大的部分，高达76%，其中膜电极和双极板总占比超过60%(见图4)。阳极催化剂中使用的铱全球年产量不超过10t，价格稳定在1000元/g以上，大规模部署应用后铱的使用可能会成为瓶颈。此外，铂的年产量约为200t，近几年价格稳定在250元/g。贵金属的使用不仅限于电极催化剂，为了适应高电势和强酸性条件，电解槽阳极侧的双极板和气体扩散层一般也选择贵金属铂或金作为涂层材料。2023年国内电解槽市场均价在890万元/MW，高于国外的800万元/MW。据氢云链统计，国内PEM设备的系统价格为5800～9850元/kW，远高于国外售价(2800～6000元/kW)。

图2  PEM制氢系统成本占比

4.关键技术发展方向

可再生能源制氢已进入发展的快车道，我国虽然在材料、组件、系统集成方面均取得了实质性进展，但在关键性技术、效率寿命提升、经济性方面与国际先进水平仍存在一定差距。未来PEM制氢系统必然朝着大规模、大功率、高压差方向发展，PEM电解水制氢技术将继续围绕高性能、长寿命、低成本展开攻关，必须在实际工况下取得衰减机制、基础技术、创新性材料开发和低成本组件的突破。

(1)提升性能

电流密度直接决定电解槽的功率密度和单位电耗。随着电流密度升高，电解槽功率密度增大，生成1kg氢气的耗电量降低，能耗成本随之下降。提高电流密度的核心在于降低电解槽内阻。其一，降低质子交换膜厚度，确保更高效的质子传输能力；其二，立足于改善三相界面上的质子、气相、液相的传输能力，增加膜电极面积，优化膜电极的结构和催化剂的双侧涂覆工艺，以保证更高效的催化活性和传质能力；其三，通过优化电解槽流道设计、组件组装工艺以及增加适当的夹紧力等，减少零件数量，使电解槽结构更紧凑，降低组件间的接触电阻。

在同等电流密度下，适当增加工作温度能够降低阳极反应的过电势和电解槽的工作电压，提高电解效率。另外，电解槽内部温度的上升，有利于缩短PEM电解槽冷启动时间，提高制氢系统响应速率。鉴于质子交换膜在超过80℃的温度下结构稳定性变差，短期内可通过提升电流密度等方式，将电解槽的工作温度稳定在80℃左右，同时需要开展质子交换膜的合成及改性技术研究，提升其机械性能。关键组件发展技术目标见表3

表3  关键组件发展技术目标

(2)延长寿命

PEM制氢系统寿命主要是指电解槽的耐久性，PEM电解槽的正常寿命预期在20～30年，在正常维护、不进行大修的情况下，系统运行寿命将会超过50000h。为了尽可能延长系统使用寿命，一方面要延缓质子交换膜、催化剂及载体、双极板等衰减失效过程，延长各组件的使用寿命(见表7)；另一方面需要结合实际工况，建立组件、电解槽乃至整个系统的全生命周期评估模型。

风光等可再生能源输出波动范围非常大，因此要求制氢系统的负荷范围尽量宽，从而尽可能提高可再生能源的利用率。需要加快建立组件和电解槽的加速衰减测试协议，探索在波动电源下电解槽组件的衰减机制和评估分析手段，提高各组件的热力学和电化学性能，解决不同输入特性下PEM电解槽的长期稳定性问题。此外，目前我国PEM电解水制氢已经迈入10MW级别示范应用阶段，随着我国新能源发电量项目的建设投产，吉瓦级PEM电解水制氢系统的应用指日可待。电解槽向大标方、长寿命发展过程中需要攻克材料和制造工艺难题，尤其是要关注膜电极的涂覆工艺、水热管理、流场设计和密封设计，保证生产的一致性、稳定性。

(3)降低成本

降低电解槽成本的关键在于减少贵金属催化剂用量和提高非贵金属的利用率，膜电极和双极板涂层是贵金属的主要应用方面。近几年来，低载量贵金属催化剂的开发有所进展，但是受限于制备技术和性能表现，尚未得到商业化应用。在进一步研究中，一方面要引入非贵金属成分，降低贵金属的使用量，同时也要积极探索非贵金属替代技术，明确过渡金属在实际应用中的性能。另一方面需要结合实际工况，提升催化剂的性能和大规模制备工艺，优化膜电极的涂覆工艺。另外，钛作为目前阳极双极板的主流材料，表面需要涂覆铂或金，成本较高，需要相关技术研发以降低钛毡厚度，实现非贵金属表面涂覆。在全生命周期内，需要对辅助系统进行控制技术、操作技术和维护技术的优化升级，通过协调多个模块，精确实时控制压力、温度、流量等参数，确保全系统的故障检测、预测保护。还需要通过设备容量优化、简化附件等，降低系统成本。

氢气的压缩是PEM制氢系统成本的另一重要组成部分。工作压力是由电解槽中的电化学过程产生的，对于大多数应用场景，氢气必须进一步压缩后才能运输、存储或使用。PEM制氢系统的出氢压力越高，后续与压缩机运行相关的能源成本越低。在未来增压运行的情况下，对质子交换膜的性能要求将会更高，机械特性的维护将成为重要一环。质子交换膜的机械强度是由阳极气体扩散层支撑的，需要根据气体扩散层的孔结构和孔径分布对氢气和氧气脱附的影响机制，对相关结构进行优化生产。同时，需要加强质子交换膜的开发设计，以期实现高安全性、高耐用性、高运行率。另外，需要确立高可靠性的密封技术，包含单元内和单元间密封，以应对氢气的高速高压生产。

(4)评价分析技术发展方向

PEM电解水制氢尚属于新兴产业，大多数PEM电解水制氢设备评价分析企业是燃料电池跨界的，部分高校和科研院所也会临时搭建规模较小的测试台架。在电解水制氢领域的各环节开展评价分析技术研究，作为评价依据，对降本提效具有重要意义(见图3)。其一，材料性能评价标准化、适用性判断和实际评价技术需要建立完善；其二，膜电极性能和耐久性评价技术、加速老化测试标准开发、耐久性模拟技术、关键组件老化衰减机制及原位诊断技术、气泡吸脱附和多相流动行为测试分析技术等需要进一步提升；其三，大功率电解装置性能测定和系统寿命预测评价技术需要规划部署。

图3  PEM电解水制氢技术降本提效路径图

5.发展建议

(1)以提升电流密度、适当升高工作温度为核心，开展相关技术研究和工艺升级，实现PEM电解水制氢技术的性能提升。

(2)从设计优化制备装配工艺、提高各组件稳定性、建立评估分析模型等多个维度，提升不同输入特性下PEM电解槽的寿命。

(3)加快非贵金属替代技术研究、辅助系统优化、提高设备工作压力，进一步降低PEM电解水制氢设备的成本，推动大规模商业化进程。

(4)开展从材料、组件到系统的评价分析技术研究，提高生产过程的安全性和可靠性，以带动PEM电解水制氢工艺流程、技术装备的升级。

2026年4月，吉林省明确将“绿氢+绿色燃料”作为高质量发展的核心增长极，正加速打造‌全国最大的绿色液体燃料供应基地。

为抢抓产业风口、凝聚行业共识、链接政产学研资源，特举办 “2026 第五届中国绿氢氨醇技术与应用发展论坛”。

大会立足吉林、辐射全国，聚焦绿电、绿氢、生物质气化、绿氨、绿色甲醇、绿色航煤等前沿技术，深度探讨其在电力、化工、工业等领域的减碳降碳应用场景与商业化路径，全面推动我国能源绿色低碳转型与高质量发展。

PART.1

【会议主题】

绿氢领航・氨醇赋能 —— 共筑能源安全与低碳新生态

PART.2

【会议时间】

2026 年 6 月 24 日 - 26 日（周三至周五）

PART.3

【会议地点】

中国・长春

PART.4

【同期活动】氢氨醇重点项目实地参观

PART.5

【组织形式】主 办：中国氢能100人论坛 | 吉林省风能太阳能学会

承 办：氢能观察 |氢能项目情报

规 模：300人

协办单位（拟邀）

中国电建吉林省电力设计院、中国能建东北电力设计院、中石油吉林化工工程有限公司、京能国际东北分公司、中能建松原氢能产业园、吉林大学、中科院应化所、国网吉林公司、吉电股份、华能吉林公司、上海电气绿源科技（吉林）有限公司等（排名不分先后）

热点议题

绿氢氨醇产业政策与区域布局：涵盖 “十五五” 产业布局、政策红利，以及吉林省本地绿氢氨醇政策解读与未来规划。

绿氢消纳场景协同：涵盖航空（SAF 燃料）、船运、电力、钢铁、化工、储能、零碳交通等多领域应用实践与探索。

绿氢氨醇项目商业化验证与应用：重点涉及中能建松原氢能产业园、吉电股份大安项目、上海电气洮南项目等落地案例，以及技术经济性、商业化验证分析。

绿氢氨醇核心技术突破与研发：包括电解水制氢（碱性 PEM 技术、核心部件）、生物质气化（循环流化床、高压气化、掺烧技术）等关键技术路径及进展。

可再生能源与绿氢氨醇产业耦合：聚焦风光储柔性制氢、可再生能源耦合制氢系统的优化与稳定性控制。

绿氢氨醇产业生态构建：包括设备国产化、行业标准认证、金融资本赋能、全球贸易机遇与挑战等产业发展支撑等。

四大核心宗旨，直击产业痛点

政策解读：权威拆解国家及地方绿氢氨醇最新政策、“十五五” 规划红利

技术引领：聚焦电解水制氢、合成氨 / 醇核心技术突破与装备国产化进展

产业对接：打通 “绿电 — 绿氢 — 绿氨 — 绿醇 — 终端应用” 全产业链供需壁垒

项目落地：推广吉林标杆经验，加速技术成果转化与产业投资合作

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