国家发改委公开征求意见!涉及新能源汽车、氢能、储能等领域
动态2023-03-21
电解水制氢有几种技术路线，其中PEM电解水制氢因为快速启动的特性，最能适配新能源的波动，也更符合能源转型的发展趋势。这种从未规模化的电解水制氢技术显出更大的吸引力。
3月10日，电装株式会社的福岛工厂迎来丰田开发的新设备。
这是一款电解水制氢的小型设备，每小时可以生产8千克氢气。这些数量并不多的氢气将用于加力炉等设备。
丰田的这款设备使用的是PEM(质子交换膜)电解水制氢系统，也是这几年“双碳”语境下正引起讨论的技术。
其实制氢不算什么新事物。在上个世纪，人们已经学会用化石燃料制造氢气，后来这种会产生大量温室气体的制氢方式被称为“灰氢”，占据全球氢气产量的95%。而PEM电解水制氢在高精尖行业有些应用，但从未“破圈”。
随着对碳中和的关注，人们开始讨论另一种以太阳能、风能等新能源电解水制造的“绿氢”。
电解水制氢有几种技术路线，其中PEM电解水制氢因为快速启动的特性，最能适配新能源的波动，也更符合能源转型的发展趋势。这种从未规模化的电解水制氢技术显出更大的吸引力。
这一行业也出现了不太为人所知的技术导向型公司。2023年开年，一家低调的企业科润新材料完成2.4亿元C轮融资，领投方为红杉中国，跟投者包括一系列车企北汽产投、通用技术资本、宇通集团等。
科润新材料主攻方向就是质子交换膜电解水制氢中关键的那层“膜”。 一位投资人告诉36碳，如科润这样涉及核心新材料研发的企业，规模不太大的人民币基金根本没办法抢到份额。
因为成本高昂，PEM电解水制氢还不是主流技术路线。根据一位投资人对36碳的测算，PEM制氢规模在国内只有1-2亿元。但在十年甚至二十年后更绿色低碳的世界中，这种制氢方式会不可或缺。
PEM制氢脱胎于航天行业，经历了半个世纪的研发，也在世界各国有了规模不小的示范项目。但是为何这种制氢技术迟迟无法降低成本?中国在整个PEM制氢产业链上，又处于一个怎样的地位?
PEM电解水制氢为何适配新能源?
早在一百多年前，科学家Charles Renard就为法国军队的飞艇制造了一组电解水制氢系统。
目前，氢气主要还是用石油、煤这样的化石燃料或者化工副产品制造，但因为电解水制氢可以使用新能源，是种低碳环保的制氢方式，当然更符合未来趋势。
电解水制氢也有几种技术路线，应用最多，经济效益最好，工艺也成熟的是碱性电解水制氢(ALK)。这种制氢办法上世纪50年代已经完成了工业化，在中国也有半个多世纪的应用历史。
碱性电解水制氢技术是用高浓度(30%)的氢氧化钾溶液作为电解质，溶液通电后分解成氢气和氧气，浸泡在溶液中的隔膜以物理手段将氢气和氧气隔离开。
这种办法虽然应用时间长、成本也低，但有其无法克服的缺陷。碱性电解液(如氢氧化钾溶液)会和空气中的二氧化碳反应，形成碳酸盐。这些无法溶解的物质会阻塞设备，降低电解槽的性能。
同时，碱性电解水制氢必须保证阴极和阳极的压力均衡，否则氢气和氧气会穿过隔膜，混合后爆炸。
这也导致碱性电解水制氢技术需要更长的启动时间，短则15分钟，长需要2小时。
新能源如光伏、风电等等产生的电力特点之一就是功率会随着天气、光照等波动，电解水制氢系统也要跟随波动快速响应，而碱性电解水制氢长启动时间很难适配使用新能源的“绿氢”制备。
质子交换膜(PEM)电解水制氢也是在这种情况下引起注意。
PEM电解水制氢诞生时，是作为航天飞船的备用电力系统存在，需要接收太阳能，因此从一开始就要适应新能源电力的不稳定。
PEM电解水制氢的原理和碱性电解水制氢不同。碱性电解水制氢的电解质是碱性溶液，而质子交换膜的电解质就是那层膜。水分子在电极阳极发生氧化反应后变成氧气、电子和质子，质子(H+)在电场作用下，穿过交换膜，到阴极后重新得到电子，成为氢气( H2)。
质子交换膜电解水制氢使用超纯水为原料，没有碱性溶液，因此氢气中不会带入碱雾，氢气品质更高，不用提纯就能直接用于燃料电池。
更重要的是，质子交换膜材料只有质子能穿透，不会出现氢氧混合的情况。这种情况下，阴极和阳极不需要保持相同的压力，可以快速停止和快速启动，西门子号称自己的PEM电解槽启动能做到一分钟以内。这种敏捷很适应可再生能源的电力波动。
稳定、高效、而且耐压都是质子交换膜制氢的优势，但诞生半个世纪后，它仍然没有大规模使用。这背后仍然有很多难以攻克的关口。
为什么PEM制氢没有大范围使用?
因为高能耗、高成本，电解水制氢都需要催化剂提高水分解反应的效率，这是必不可少的材料。
碱性电解水制氢因为是在碱性溶液中，可以用贵金属基催化剂，如铂、金，但也可以用镍这样的非贵金属基催化剂，现在很多大型碱性电解水制氢都用的镍网或者泡沫镍。
但PEM电解水制氢时，化学反应中会产生酸性物质，电极区域需要在酸性环境下工作，环境比碱性溶液还要苛刻，所以需要耐腐蚀、耐高电位、耐强氧化环境同时又能提高反应速度的材料。
在众多金属材料中，只有铱(Ir)这样昂贵而稀有的贵金属可以满足要求。然而，铱一年全球的产量只有5-10吨，价格是黄金的2倍以上。
而且，正因为PEM电解水制氢的恶劣环境， PEM电解槽使用的阴极板和阳极板也要耐腐蚀，一般都是用金属板涂上耐腐蚀的涂层。而碱性电解水制氢电解槽的双极板可以使用相对廉价的碳。同时，PEM电解槽中，包括传输层在内的部件也要使用基于钛的稳定贵金属。
而且，PEM电解水制氢对水的要求也高于碱性电解水制氢，它需要的原材料是超纯水，也就是净化到除了氢离子和氢氧根离子，几乎没有其他导电介质的水。这种水需要专门的机器制造。
从成本来看，PEM的设备从催化剂到双极板、催化剂、传输层，乃至于质子交换膜本身的投入都远高于碱性电解水制氢设备。国产的碱性电解槽制氢成本在2-3000元/kW，而PEM电解槽制氢的价格比碱性电解槽贵3倍以上。
哪怕2030年时更多使用可再生能源制氢，光伏电价也到了0.2元/kWh，碱性电解水制氢的成本还是比PEM制氢低50%。这让PEM制氢迟迟无法规模化。
能够让PEM电解水制氢增长，最关键的还是靠改进催化剂、双极板等等工艺，让PEM电解槽的寿命足以和碱性电解槽比肩，这样才能降低设备的折旧成本。也只有使用寿命更长，才会有规模化的可能，反向又推动价格下降，进入良性循环。
中国能做什么?世界又能做什么?
即便目前PEM电解水制氢离大规模商业化还很遥远，但它天然和“绿氢”适配，更适合十年甚至二十年后的低碳社会。
哪怕在当下这个时间点，PEM电解水制氢显得小众。有前瞻性的政府和大型公司，仍然不会轻易错过这个技术，
中国目前在PEM电解水制氢领域和海外企业相比还有不小的差距。推动PEM电解水制氢的研发，对于中国来说或许更为重要。
相比海外巨头，中国电解水设备厂商很年轻，而且主要做的都是碱性电解水制氢设备。PEM项目主要还是和海外厂商合作。如2022年12月，中石化就和美国的康明斯合作，由后者提供设备，在河南濮阳投产了首个兆瓦级PEM电解水制氢示范项目。
PEM电解槽的很多关键零部件，中国还依赖进口。如核心材料质子交换膜基本都由日本、欧洲和美国企业垄断。
质子交换膜一开始由通用公式研发，由杜邦公司改良，美国公司已经有半个多世纪的研发经验。所以，杜邦公司、陶氏化学也称为PEM膜的重要供应商，其中杜邦公司的PEM膜因为稳定、防渗透性好等等优点最受欢迎。比利时的苏威、日本的旭硝子、旭化成也有不小声量。
而中国只有山东东岳集团和江苏科润等少数厂家能做出质子交换膜，即便实验室做出产品，离真正批量应用还有很长距离。2021年，山东东岳的产品在国内的市占率也不过15%，在全球份额更低。
除了作为“心脏”的质子交换膜，催化剂也由海外公司垄断。德国巴斯夫、英国庄信万丰、比利时优美科是催化剂的巨头，占比达到9成。
除了关键零部件，PEM电解槽制造也基本由海外公司垄断。挪威的氢气巨头NEL ASA的子公司在全球部署了2000多套PEM制氢装备，占据70%的市场份额。而其余的PEM设备制造商也分布于海外，包括西门子，康明斯和普拉格能源等。
技术本身并非不可攻克。全球多国都出现PEM制氢示范项目，真正制约行业的是，制氢技术还没有准备好迈入下一个阶段。
“在整个电解水制氢行业，现在的问题是老技术无法满足新市场。”新浚资本的金健告诉36碳。他认为现在对氢气的定位已经发生了变化。
过去制造的绿氢只需要满足半导体、医药、航天这样的少量高精尖行业，但现在中国对氢气的定位是一种“能源”。能源意味着必须做到低成本、大规模、可靠和安全。PEM电解水制氢虽然规模在提升，也能稳定适配新能源制氢，但降低成本面临较大挑战。
这种技术上的限制反向又导致国家政策偏于保守。“和电动车不同，氢产业链技术还不在中国。我们在技术上还没有准备好，国家不能确定成熟度，所以政策支持力度也不会很大。”投资人告诉36碳。
如制氢这样的高投入、高成本产业发展离不开国家政策扶持，但在他看来，国家还没有太多的资金注入这一行业。
除了技术本身的限制，氢能在终端市场还没有经过大规模验证。即便丰田、现代这样的大型车企都在氢燃料电池这一领域投入不小，但也没有推出量产产品。在上述投资人看来，真正大的市场变化可能需要10年甚至20年。
当然，氢能企业或车企虽然没有大规模投入，但它们并不会放弃PEM电解水制氢。
3月9日，中国氢能A+H“第一股”的氢燃料电池龙头亿华通，被报道要成立氢能科技公司，入局上游制氢环节。
相比光伏，氢能的产业链因为运输、存储会更复杂。但行业共识是，在整个产业链中，位于最上游的制氢相比多年没有大的技术变化的运氢、储氢环节，可能讲出更多故事。一直做下游燃料电池的巨头开始将触角伸向前端，也代表了行业的风向。
正是因为电解水制氢环节刚刚浮出水面，也有足够的技术壁垒，中小型创业公司还是创投资本还有些入局的可能。
来源：36碳 作者：袁斯来
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