電解水制氫有幾種技術(shù)路線，其中PEM電解水制氫因為快速啟動的特性，最能適配新能源的波動，也更符合能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢。這種從未規(guī)模化的電解水制氫技術(shù)顯出更大的吸引力。
3月10日，電裝株式會社的福島工廠迎來豐田開發(fā)的新設(shè)備。
這是一款電解水制氫的小型設(shè)備，每小時可以生產(chǎn)8千克氫氣。這些數(shù)量并不多的氫氣將用于加力爐等設(shè)備。
豐田的這款設(shè)備使用的是PEM(質(zhì)子交換膜)電解水制氫系統(tǒng)，也是這幾年“雙碳”語境下正引起討論的技術(shù)。
其實制氫不算什么新事物。在上個世紀，人們已經(jīng)學(xué)會用化石燃料制造氫氣，后來這種會產(chǎn)生大量溫室氣體的制氫方式被稱為“灰氫”，占據(jù)全球氫氣產(chǎn)量的95%。而PEM電解水制氫在高精尖行業(yè)有些應(yīng)用，但從未“破圈”。
隨著對碳中和的關(guān)注，人們開始討論另一種以太陽能、風(fēng)能等新能源電解水制造的“綠氫”。
電解水制氫有幾種技術(shù)路線，其中PEM電解水制氫因為快速啟動的特性，最能適配新能源的波動，也更符合能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢。這種從未規(guī)模化的電解水制氫技術(shù)顯出更大的吸引力。
這一行業(yè)也出現(xiàn)了不太為人所知的技術(shù)導(dǎo)向型公司。2023年開年，一家低調(diào)的企業(yè)科潤新材料完成2.4億元C輪融資，領(lǐng)投方為紅杉中國，跟投者包括一系列車企北汽產(chǎn)投、通用技術(shù)資本、宇通集團等。
科潤新材料主攻方向就是質(zhì)子交換膜電解水制氫中關(guān)鍵的那層“膜”。 一位投資人告訴36碳，如科潤這樣涉及核心新材料研發(fā)的企業(yè)，規(guī)模不太大的人民幣基金根本沒辦法搶到份額。
因為成本高昂，PEM電解水制氫還不是主流技術(shù)路線。根據(jù)一位投資人對36碳的測算，PEM制氫規(guī)模在國內(nèi)只有1-2億元。但在十年甚至二十年后更綠色低碳的世界中，這種制氫方式會不可或缺。
PEM制氫脫胎于航天行業(yè)，經(jīng)歷了半個世紀的研發(fā)，也在世界各國有了規(guī)模不小的示范項目。但是為何這種制氫技術(shù)遲遲無法降低成本?中國在整個PEM制氫產(chǎn)業(yè)鏈上，又處于一個怎樣的地位?
PEM電解水制氫為何適配新能源?
早在一百多年前，科學(xué)家Charles Renard就為法國軍隊的飛艇制造了一組電解水制氫系統(tǒng)。
目前，氫氣主要還是用石油、煤這樣的化石燃料或者化工副產(chǎn)品制造，但因為電解水制氫可以使用新能源，是種低碳環(huán)保的制氫方式，當(dāng)然更符合未來趨勢。
電解水制氫也有幾種技術(shù)路線，應(yīng)用最多，經(jīng)濟效益最好，工藝也成熟的是堿性電解水制氫(ALK)。這種制氫辦法上世紀50年代已經(jīng)完成了工業(yè)化，在中國也有半個多世紀的應(yīng)用歷史。
堿性電解水制氫技術(shù)是用高濃度(30%)的氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)，溶液通電后分解成氫氣和氧氣，浸泡在溶液中的隔膜以物理手段將氫氣和氧氣隔離開。
這種辦法雖然應(yīng)用時間長、成本也低，但有其無法克服的缺陷。堿性電解液(如氫氧化鉀溶液)會和空氣中的二氧化碳反應(yīng)，形成碳酸鹽。這些無法溶解的物質(zhì)會阻塞設(shè)備，降低電解槽的性能。
同時，堿性電解水制氫必須保證陰極和陽極的壓力均衡，否則氫氣和氧氣會穿過隔膜，混合后爆炸。
這也導(dǎo)致堿性電解水制氫技術(shù)需要更長的啟動時間，短則15分鐘，長需要2小時。
新能源如光伏、風(fēng)電等等產(chǎn)生的電力特點之一就是功率會隨著天氣、光照等波動，電解水制氫系統(tǒng)也要跟隨波動快速響應(yīng)，而堿性電解水制氫長啟動時間很難適配使用新能源的“綠氫”制備。
質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫也是在這種情況下引起注意。
PEM電解水制氫誕生時，是作為航天飛船的備用電力系統(tǒng)存在，需要接收太陽能，因此從一開始就要適應(yīng)新能源電力的不穩(wěn)定。
PEM電解水制氫的原理和堿性電解水制氫不同。堿性電解水制氫的電解質(zhì)是堿性溶液，而質(zhì)子交換膜的電解質(zhì)就是那層膜。水分子在電極陽極發(fā)生氧化反應(yīng)后變成氧氣、電子和質(zhì)子，質(zhì)子(H+)在電場作用下，穿過交換膜，到陰極后重新得到電子，成為氫氣( H2)。
質(zhì)子交換膜電解水制氫使用超純水為原料，沒有堿性溶液，因此氫氣中不會帶入堿霧，氫氣品質(zhì)更高，不用提純就能直接用于燃料電池。
更重要的是，質(zhì)子交換膜材料只有質(zhì)子能穿透，不會出現(xiàn)氫氧混合的情況。這種情況下，陰極和陽極不需要保持相同的壓力，可以快速停止和快速啟動，西門子號稱自己的PEM電解槽啟動能做到一分鐘以內(nèi)。這種敏捷很適應(yīng)可再生能源的電力波動。
穩(wěn)定、高效、而且耐壓都是質(zhì)子交換膜制氫的優(yōu)勢，但誕生半個世紀后，它仍然沒有大規(guī)模使用。這背后仍然有很多難以攻克的關(guān)口。
為什么PEM制氫沒有大范圍使用?
因為高能耗、高成本，電解水制氫都需要催化劑提高水分解反應(yīng)的效率，這是必不可少的材料。
堿性電解水制氫因為是在堿性溶液中，可以用貴金屬基催化劑，如鉑、金，但也可以用鎳這樣的非貴金屬基催化劑，現(xiàn)在很多大型堿性電解水制氫都用的鎳網(wǎng)或者泡沫鎳。
但PEM電解水制氫時，化學(xué)反應(yīng)中會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，電極區(qū)域需要在酸性環(huán)境下工作，環(huán)境比堿性溶液還要苛刻，所以需要耐腐蝕、耐高電位、耐強氧化環(huán)境同時又能提高反應(yīng)速度的材料。
在眾多金屬材料中，只有銥(Ir)這樣昂貴而稀有的貴金屬可以滿足要求。然而，銥一年全球的產(chǎn)量只有5-10噸，價格是黃金的2倍以上。
而且，正因為PEM電解水制氫的惡劣環(huán)境， PEM電解槽使用的陰極板和陽極板也要耐腐蝕，一般都是用金屬板涂上耐腐蝕的涂層。而堿性電解水制氫電解槽的雙極板可以使用相對廉價的碳。同時，PEM電解槽中，包括傳輸層在內(nèi)的部件也要使用基于鈦的穩(wěn)定貴金屬。
而且，PEM電解水制氫對水的要求也高于堿性電解水制氫，它需要的原材料是超純水，也就是凈化到除了氫離子和氫氧根離子，幾乎沒有其他導(dǎo)電介質(zhì)的水。這種水需要專門的機器制造。
從成本來看，PEM的設(shè)備從催化劑到雙極板、催化劑、傳輸層，乃至于質(zhì)子交換膜本身的投入都遠高于堿性電解水制氫設(shè)備。國產(chǎn)的堿性電解槽制氫成本在2-3000元/kW，而PEM電解槽制氫的價格比堿性電解槽貴3倍以上。
哪怕2030年時更多使用可再生能源制氫，光伏電價也到了0.2元/kWh，堿性電解水制氫的成本還是比PEM制氫低50%。這讓PEM制氫遲遲無法規(guī)?；?。
能夠讓PEM電解水制氫增長，最關(guān)鍵的還是靠改進催化劑、雙極板等等工藝，讓PEM電解槽的壽命足以和堿性電解槽比肩，這樣才能降低設(shè)備的折舊成本。也只有使用壽命更長，才會有規(guī)模化的可能，反向又推動價格下降，進入良性循環(huán)。
中國能做什么?世界又能做什么?
即便目前PEM電解水制氫離大規(guī)模商業(yè)化還很遙遠，但它天然和“綠氫”適配，更適合十年甚至二十年后的低碳社會。
哪怕在當(dāng)下這個時間點，PEM電解水制氫顯得小眾。有前瞻性的政府和大型公司，仍然不會輕易錯過這個技術(shù)，
中國目前在PEM電解水制氫領(lǐng)域和海外企業(yè)相比還有不小的差距。推動PEM電解水制氫的研發(fā)，對于中國來說或許更為重要。
相比海外巨頭，中國電解水設(shè)備廠商很年輕，而且主要做的都是堿性電解水制氫設(shè)備。PEM項目主要還是和海外廠商合作。如2022年12月，中石化就和美國的康明斯合作，由后者提供設(shè)備，在河南濮陽投產(chǎn)了首個兆瓦級PEM電解水制氫示范項目。
PEM電解槽的很多關(guān)鍵零部件，中國還依賴進口。如核心材料質(zhì)子交換膜基本都由日本、歐洲和美國企業(yè)壟斷。
質(zhì)子交換膜一開始由通用公式研發(fā)，由杜邦公司改良，美國公司已經(jīng)有半個多世紀的研發(fā)經(jīng)驗。所以，杜邦公司、陶氏化學(xué)也稱為PEM膜的重要供應(yīng)商，其中杜邦公司的PEM膜因為穩(wěn)定、防滲透性好等等優(yōu)點最受歡迎。比利時的蘇威、日本的旭硝子、旭化成也有不小聲量。
而中國只有山東東岳集團和江蘇科潤等少數(shù)廠家能做出質(zhì)子交換膜，即便實驗室做出產(chǎn)品，離真正批量應(yīng)用還有很長距離。2021年，山東東岳的產(chǎn)品在國內(nèi)的市占率也不過15%，在全球份額更低。
除了作為“心臟”的質(zhì)子交換膜，催化劑也由海外公司壟斷。德國巴斯夫、英國莊信萬豐、比利時優(yōu)美科是催化劑的巨頭，占比達到9成。
除了關(guān)鍵零部件，PEM電解槽制造也基本由海外公司壟斷。挪威的氫氣巨頭NEL ASA的子公司在全球部署了2000多套PEM制氫裝備，占據(jù)70%的市場份額。而其余的PEM設(shè)備制造商也分布于海外，包括西門子，康明斯和普拉格能源等。
技術(shù)本身并非不可攻克。全球多國都出現(xiàn)PEM制氫示范項目，真正制約行業(yè)的是，制氫技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好邁入下一個階段。
“在整個電解水制氫行業(yè)，現(xiàn)在的問題是老技術(shù)無法滿足新市場。”新浚資本的金健告訴36碳。他認為現(xiàn)在對氫氣的定位已經(jīng)發(fā)生了變化。
過去制造的綠氫只需要滿足半導(dǎo)體、醫(yī)藥、航天這樣的少量高精尖行業(yè)，但現(xiàn)在中國對氫氣的定位是一種“能源”。能源意味著必須做到低成本、大規(guī)模、可靠和安全。PEM電解水制氫雖然規(guī)模在提升，也能穩(wěn)定適配新能源制氫，但降低成本面臨較大挑戰(zhàn)。
這種技術(shù)上的限制反向又導(dǎo)致國家政策偏于保守。“和電動車不同，氫產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)還不在中國。我們在技術(shù)上還沒有準(zhǔn)備好，國家不能確定成熟度，所以政策支持力度也不會很大。”投資人告訴36碳。
如制氫這樣的高投入、高成本產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開國家政策扶持，但在他看來，國家還沒有太多的資金注入這一行業(yè)。
除了技術(shù)本身的限制，氫能在終端市場還沒有經(jīng)過大規(guī)模驗證。即便豐田、現(xiàn)代這樣的大型車企都在氫燃料電池這一領(lǐng)域投入不小，但也沒有推出量產(chǎn)產(chǎn)品。在上述投資人看來，真正大的市場變化可能需要10年甚至20年。
當(dāng)然，氫能企業(yè)或車企雖然沒有大規(guī)模投入，但它們并不會放棄PEM電解水制氫。
3月9日，中國氫能A+H“第一股”的氫燃料電池龍頭億華通，被報道要成立氫能科技公司，入局上游制氫環(huán)節(jié)。
相比光伏，氫能的產(chǎn)業(yè)鏈因為運輸、存儲會更復(fù)雜。但行業(yè)共識是，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中，位于最上游的制氫相比多年沒有大的技術(shù)變化的運氫、儲氫環(huán)節(jié)，可能講出更多故事。一直做下游燃料電池的巨頭開始將觸角伸向前端，也代表了行業(yè)的風(fēng)向。
正是因為電解水制氫環(huán)節(jié)剛剛浮出水面，也有足夠的技術(shù)壁壘，中小型創(chuàng)業(yè)公司還是創(chuàng)投資本還有些入局的可能。
來源：36碳 作者：袁斯來
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