GCNR研报 | 日本电解水制氢技术发展目标与战略路径——“2025日本NEDO电解水技术开发路线图”分析与解读（中）

3. 日本电解水技术的发展路径

要实现上述目标，日本制定了系统的技术与产业发展路径，包括研发方向、市场战略和政策保障等方面。

（1）关键技术研发方向

日本将针对电解水各技术路线的短板，开展以下重点攻关：

• 电极与催化剂材料

  开发高活性、长寿命且低成本的新型催化剂是当务之急。例如，在碱性电解槽（ALK）方面，虽然其电极多采用廉价金属，但为进一步提升性能，需要研制超高活性、高耐久的电极催化材料。在PEM电解槽方面，重点是降低贵金属用量。日本研究者正尝试通过纳米结构催化剂、合金催化剂以及催化层的优化设计，在保证性能的同时把铂族金属用量减少到原来的1/5甚至1/10。AEM电解则需研发稳定的非贵金属催化剂来替代铂、铱，同时提高电极对氧析出反应的活性。

• 膜和隔膜技术

  PEM电解槽的核心是质子交换膜，日本企业（如东丽、旭化成等）在高分子膜材料领域具有技术积累，正努力开发高导电率且耐化学降解的膜，以延长寿命并支持更高电流密度。AEM所需的阴离子交换膜目前稳定性较差，日本计划通过新型聚合物合成和加强膜补强材料，提升AEM膜在碱性条件下的耐久性。对于碱性液体电解槽，改进隔膜（如开发新型多孔隔膜或陶瓷隔膜）以减少气体交叉和降低电阻，也是研发重点之一。

• 高温电解（SOEC）技术

  虽然SOEC仍不成熟，但日本一些研发机构（如NEDO项目）正布局固体氧化物电解和相关的质子陶瓷电解技术。研究内容包括提高电极和电解质材料在高温下的稳定性，开发抗热循环冲击的堆栈结构，以及探索降低SOEC运行温度（如中温固体氧化物电解）的方法。一些日本大学也涉足可逆燃料电池-电解池（即既可发电又可电解）的技术研究。虽然SOEC短期难以商业化，但日本希望在该领域保持技术储备，以便将来在需要高效率制氢的工业场景（例如钢铁厂余热利用制氢）中占得先机。

• 系统优化与平衡部件

  除了电解槽本体，日本还注重系统整体效率的提升。对此，需改进电解系统的平衡部件（BOP）。例如，提高整流电源的效率，降低交流电到直流电转换损耗；研发更高效、更廉价的氢气压缩机和纯水制备装置；完善氢气干燥、净化单元技术以确保氢气质量等。另外，开发智能化系统控制技术，实现对可再生能源波动的灵活响应也是重点。通过先进控制算法，电解系统可以根据电力价格和供需状况调整运行工况，在保证设备寿命的同时最大化经济效益。

（2）市场战略

日本的电解水技术推广将采取国内示范先行，逐步拓展海外的策略：

• 本土市场推广

  日本国内虽然可再生能源成本相对较高，但仍在积极开展绿氢示范。早在2020年，日本在福岛建成世界上单体功率最大的10MW电解水示范装置（FH2R）。该项目由旭化成提供碱性电解槽系统，东芝负责集成，可利用太阳能发电制取氢气，用于燃料电池车辆等应用。这类示范为日本积累了宝贵的运行数据和经验。未来几年，日本计划在北海道、西南群岛等可再生资源丰富地区建设更多可再生能源+电解水示范工程，将所产绿氢用于本地工业（如炼油、化工）或运往港口掺烧发电。此外，日本还推动燃料电池汽车、巴士、固定式燃料电池的发展，这些终端应用的氢气需求反过来刺激制氢基础设施布局。因此，日本将通过产需联动的示范项目，在国内逐步建立氢能生态，带动电解水设备的应用。

• 开拓海外市场

  鉴于日本国内氢需求的增长有限，日本电解槽厂商必然要将目光投向全球更广阔的市场。参与海外绿氢项目是日本企业的重要战略路径。例如，日本正加强与氢能输出潜力大的国家合作——包括资源丰富、土地广袤的澳大利亚、中东，以及政策积极的北美等。在这些地区兴建大型可再生能源制氢基地，由日本提供核心电解设备和技术支持，同时日本企业可通过投资获取部分氢源的长期供应合同。这种模式既扩大了日本装备的市场占有，又为日本自身引进低价氢气创造条件，实现双赢。目前，日本公司已参与澳大利亚液氢供应链示范项目（从褐煤制氢+CCS产生氢气，通过液化运回日本），未来也在探讨参与海外可再生制氢计划。日本企业还将积极参加国际投标，与欧美厂商同台竞争大型电解水项目，以品质和技术取胜，逐步打开品牌知名度。

总之，日本希望成为全球氢能供应链中高端电解设备供应商和项目合作伙伴。

（3）政策支持与保障

政府在日本电解水产业发展中扮演关键推动角色：

• 财政激励

  日本政府通过补贴、减税等手段降低电解水项目初期成本。例如，对示范项目的设备投资给予补贴，对绿氢生产的电费给予优惠。政府还设立专项基金（如NEDO项目资金）支持企业和科研机构合作攻关关键技术，提供研发补助。除了中央政府，一些地方政府也推出政策，如补贴当地可再生电力制氢项目的电费、提供工业用地便利等，鼓励企业建设绿氢设施。

• 标准化与规范

  为了促进电解水设备的大规模商用，日本正推动相关标准、法规的完善。这包括制定电解槽性能测试标准、寿命评估方法，以及安全规范、氢气纯度标准等。有了明确统一的行业标准，不仅有利于国内市场采用日本设备，也有助于日本标准走向国际，为本国企业赢得信誉。此外，日本积极参与国际标准组织ISO的氢能标准制定，在安全和接口标准方面贡献经验，以期降低日本企业产品进入海外市场的壁垒。

• 电力体制改革联动

  电解水的发展与电力市场制度密切相关。日本政府意识到，需要优化可再生能源电力的调度和定价机制，使电解槽能够以低廉电价获取剩余电力或谷段电力运行。比如，探讨设立绿氢产消协调的电价激励措施，让电解槽在可再生电力过剩时以极低成本运行，提高利用率。同时，在电网规划中考虑配套输电和储能设施，以支持大型电解项目并网。这些措施都有赖于政策层面的统筹安排。

• 国际合作

  日本通过国际合作渠道获取资源和市场，包括政府层面的能源外交和产业联盟。日本与欧盟在氢能研发上有合作协议，共享研究成果；与澳大利亚、阿联酋等签署氢能合作备忘录，保障未来进口。政策上，日本政府鼓励国内企业加入国际氢能项目，例如通过日本国际协力银行（JBIC）提供低息贷款，为企业海外投资绿氢项目保驾护航。这些举措确保日本电解水技术融入全球供应链，并获得多方支持。

综上所述，日本将通过技术研发与产业实践双管齐下，在国家政策的大力扶持下，逐步克服电解水技术和市场瓶颈，铺就一条从实验室到大规模产业化的战略路径。

4. 产业化路径

将电解水技术推向大规模产业化，日本需要解决规模化生产和供应链两大方面的挑战，并寻找持续降本增效的路径来提升市场竞争力。

（1）规模化量产的挑战与对策

目前电解槽制造尚处于“小批量、多品种”阶段，很多核心部件靠半手工方式生产，难以满足未来成百上千套大型电解槽的需求。为实现2030年前15GW供应目标，日本企业必须建设大规模生产线（Gigafactory）。但面临多重挑战：

• 生产工艺升级

  传统制造工艺需要革命性变化。例如，开发电极催化剂的卷对卷涂覆工艺、膜电极组件（MEA）的自动化组装工艺等，以取代人工装配。NEDO指出，应推动电解槽制造过程高通量化，提高生产速度，实现关键部件快速批量制造。日本一些厂商已开始引进先进制造设备，如自动叠片机、激光焊接和3D打印技术等来提升生产率。

• 质量一致性和良品率

  在扩大产量的同时，必须确保产品性能的一致和可靠。电解槽内部组件多且精密，一处瑕疵可能影响寿命。为此需要建立严格的质量管理体系和在线检测手段，如利用机器视觉检查膜电极缺陷，压力测试检漏等，保证大批量生产下每台堆栈都达标。这也是从“工艺品”走向“商品”的必经过程。

• 资本投入与成本分摊

  建设大型生产线前期投资高昂。单条GW级生产线投资可能数百亿日元以上。这需要企业具备融资能力，也需要初期市场有足够订单来支撑产线负荷。为降低企业风险，日本政府的15万亿日元投融资计划将发挥作用，通过政策性银行贷款、补贴等方式帮助企业建设产能。此外，企业间可考虑合作量产或建立代工联盟，共享产能，分摊成本和风险。

• 人力与技术储备

  大规模制造需要跨学科人才，如电化学、材料、自动控制、机械工程等。日本将加强产学研合作，培养专业工程师团队。例如，由大学和企业联合培养电解槽装调和测试方面的人才，并从半导体、汽车等产业引入熟悉自动化生产的人才，支撑行业壮大。

（2）供应链建设

实现电解水产业化，建立强健的本土供应链十分关键。日本致力于关键材料和部件的国产化和供应保障：

• 膜、电极等核心材料

  如前所述，PEM电解槽的质子膜目前主要依赖进口（中国数据表明2020年国产化率仅80%，膜基本依赖进口）。日本正加快本土厂商开发替代膜产品，以避免“卡脖子”。同样，催化剂铱金属资源稀缺，日本企业与科研机构合作研发低铱甚至无铱电催化剂，并探索铱的循环回收利用技术，减少对原材料的依赖。

• 双极板、密封件等部件

  PEM电解槽用双极板传统上采用涂层钛板，成本很高。日本企业尝试开发新型涂层或复合材料（如碳基板涂覆），降低双极板成本。同样，碱性电解槽的石棉替代隔膜、耐碱密封胶等材料也在国产化清单中。通过材料国产化，不仅降低成本，也提高供应灵活性。

• 整机配套和工程能力

  除了核心部件，制造完整的制氢系统还需要诸如电源整流柜、冷却水系统、控制系统等配套。日本相关行业（电气、控制、机械）体系完备，可以为电解水行业提供支撑。例如，日立、三菱电机等可提供高效整流变流设备；SMC等公司可提供工业气体控制元件。这种完整工业体系是日本的优势，需加以整合形成完整供应链。政府也鼓励传统制造企业进入氢能设备配套领域，实现转型升级。

• 国际采购与合作

  对于短期内无法国产的部分原料（如铂族金属），日本通过国际合作确保供应稳定。一方面，与资源国加强贸易关系，提前锁定长期供应合同；另一方面，也考虑加入盟国供应链，如与欧美共享部分关键部件的供应渠道，以免供应中断。

（3）成本降低路径

规模化量产和本土供应链建立的最终目的，是降低成本并提高市场竞争力。根据经验曲线，电解槽成本会随产量增长显著下降。如前所述，产量每增加一倍，成本预计下降约9%。若产量扩大100倍，成本有望减半。这意味着到2030年以后，日本电解槽设备成本将相较目前下降50%以上。结合技术改进（如高电流密度设计减少单位产氢设备用量、长寿命减少更换成本），总体制氢成本可大幅降低。

具体降本措施包括：（a）提升电流密度，以更小的电解槽尺寸产出相同氢气，从而节省材料和设备数量；（b）提高效率，降低耗电，使电费占比下降；（c）延长寿命，削减折旧和运维费用；(d) 扩大单机功率和批量生产，摊薄固定成本。NEDO的情景分析显示，假如在2040年同时实现“高寿命”和“高电流密度”两大突破，相比目前基准方案，PEM和ALK电解槽资本成本还可再降低约30%。而在进一步极端优化下，PEM和ALK系统理论上可降至接近6万日元/kW的成本水平，与美国DOE提出的长期目标相当。当然，这需要多方面协同创新才能达成。

（4）市场竞争力提升

对于市场竞争力而言，日本电解槽企业必须在成本和性能两方面都具备优势，方能立足于全球市场。目前中国厂家利用规模和本土成本优势，碱性电解槽价格约为欧美日厂商的1/3。这对日本形成巨大压力。因此，日本企业一方面要通过上述降本措施努力接近竞争对手的价格，另一方面也要突出产品的独特价值——例如更高的可靠性、更长的寿命、更好的动态性能等，以差异化竞争。日本的品牌信誉和工程服务能力也是竞争要素，可以通过提供全生命周期服务来吸引客户。此外，积极参与海外示范项目以建立业绩，也能提高竞争中的胜算。

日本可能采取“错位竞争”策略，重点攻占高要求或特殊应用市场。如在需频繁启停、负荷波动的可再生能源制氢项目上，推荐采用日本的PEM电解槽，其动态响应和氢气纯度优势明显。对于注重寿命的工业连续运行项目，可提供优化设计的碱性电解槽，强调寿命长、维护少的特点。通过这样的市场细分，日本企业可逐渐树立各自的拳头产品领域。随着产量提升和成本下降，再逐步向大宗市场扩大份额。