文|阿爾法工場(chǎng)
3月23日，國(guó)家能源局、國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》。文中明確提出，氫能是未來國(guó)家能源體系的重要組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，將氫能產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和未來重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。
此外，《規(guī)劃》提出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展各階段目標(biāo)：到2025年，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設(shè)一批加氫站，可再生能源制氫量達(dá)到10-20萬噸/年，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100-200萬噸/年。
到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。到2035年，形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比例明顯提升。
受此利好消息刺激，氫能概念股在二級(jí)市場(chǎng)掀起來漲停潮。 對(duì)產(chǎn)業(yè)有所了解的朋友們應(yīng)該知道，自2016年氫能產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家能源戰(zhàn)略以來，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)已初具雛形，完成了從0-1的過程、正在邁向從1-N的道路。 根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，2020年至2025年間，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)1萬億元，2026年至2035年產(chǎn)值達(dá)到5萬億元。
可以說，氫能未來的前景就是星辰大海。 當(dāng)然，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)鏈各技術(shù)環(huán)節(jié)仍舊存在著諸多需要攻關(guān)的技術(shù)，比如液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)，IV型儲(chǔ)氫瓶，大型加氫站、電堆成本等等。
在這些問題之上，還有一個(gè)問題，如果無法解決氫能產(chǎn)業(yè)推進(jìn)便無從談起。
這個(gè)環(huán)節(jié)便是推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)程所面臨的第一重門——制氫。
01 深度脫胎靠綠氫
隨著氫能知識(shí)的逐步普及，人們對(duì)氫能燃燒高效無碳的優(yōu)點(diǎn)普遍接受，對(duì)氫能的產(chǎn)業(yè)鏈也有所了解。
的確，能效上來看，氫氣的熱值約為140MJ/kg，高達(dá)煤炭、汽油等傳統(tǒng)燃料的3倍以上。
儲(chǔ)量上來看，氫是宇宙中含量最多的元素，大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%，地球上豐富的水資源中蘊(yùn)含著大量可供開發(fā)的氫能，未來是獲取最便利和成本最低的能源之一。
與之相反，鋰電池的金屬材料成本，如鋰和鈷則在電池總體成本中占據(jù)了很大比例，且相對(duì)稀缺，價(jià)格高昂。
電池生產(chǎn)過程中要使用大量鋰、鈷、鎳等金屬材料，其生產(chǎn)過程中，金屬材料的開采、生產(chǎn)加工都會(huì)產(chǎn)生大量能量消耗和碳排放，屬于冶煉、化工產(chǎn)業(yè)。
而氫氣直接燃燒或通過燃料電池發(fā)電的產(chǎn)物為水，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的零碳排放，對(duì)環(huán)境不造成任何污染。故而氫能被稱為終極能源。
按照產(chǎn)業(yè)鏈由上到下的次序，氫能源產(chǎn)業(yè)鏈可以分成三段，上游是氫生產(chǎn)與供應(yīng)；中游，是燃料電池及核心零部件，而它的下游，則是燃料電池應(yīng)用。
現(xiàn)階段較為成熟的制氫的技術(shù)路線有三種：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，俗稱藍(lán)氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，俗稱灰氫；三是電解水制氫，俗稱綠氫。
化石能源制氫為我國(guó)目前主流的制氫方式，而基于可再生能源的電解水制氫方案的碳排放最低。 前兩者生產(chǎn)氫氣的技術(shù)無法擺脫對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗，雖然通過碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放。
但長(zhǎng)期來看，只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。
我國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，其中，能達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約有1200萬噸。
可再生能源裝機(jī)量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。
在未來，通過電解水可以將富足的可再生能源轉(zhuǎn)化成綠氫，為建筑、交通、工業(yè)等高排放部門供給清潔環(huán)保的綠色原料和燃料，從而減少化石能源的使用，有效減少碳排放。
因此，未來綠氫的大規(guī)模生產(chǎn)，才是氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳的首要任務(wù)。
不過，實(shí)際進(jìn)展道阻且長(zhǎng)。根據(jù)IRENA的測(cè)算，全球僅有4%的氫氣來自電解水制氫，其余均來自煤炭、天然氣以及石油煉化領(lǐng)域。
未能大規(guī)模推廣的原因在于成本，電解水制氫的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石能源成本。
然而隨著光伏、風(fēng)電的進(jìn)一步降本，到2030年國(guó)內(nèi)部分可再生資源優(yōu)勢(shì)區(qū)域，其度電成本到達(dá)到0.1-0.15元/KWh，綠氫成本逐步下降到14元/KG左右，實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià)。
具備深度脫碳屬性的綠氫無疑是更好的選擇，大規(guī)模商用拓展便隨之來臨。
02 PEM電解水技術(shù)
電解水制氫的基本原理，是水分子在直流電作用下解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽的陽極和陰極析出，具體可分為堿性水電解、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜水電解（AEM）以及固體氧化物水電解（SOE）四種技術(shù)路線。
目前堿性水電解與PEM的產(chǎn)業(yè)化程度相對(duì)較高。 堿性電解水技術(shù)最為成熟，其采用氫氧化鉀水溶液作為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣。
由于是堿性條件，因此可以使用非貴金屬電催化劑，因此電解槽造價(jià)成本較低；但是，難以快速啟動(dòng)和變載，無法快速調(diào)節(jié)制氫速度，因此與可再生能源適配性較差。
從技術(shù)角度看，PEM電解水技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，許多新建項(xiàng)目開始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解技術(shù)，近年開始獲得較多的市場(chǎng)份額。 相較堿性電解水技術(shù)，PEM電解采用純水電解，無污染、無腐蝕；其次，質(zhì)子交換膜擁有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。
同時(shí)PEM電解水技術(shù)能夠提供更寬的負(fù)載范圍和更短的響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，與水電、風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大）具有良好的匹配性，最適合未來能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
近年來，PEM電解水技術(shù)的推進(jìn)逐步提速。
2015年，西門子和林德氣體在德國(guó)美因茨能源園區(qū)建成當(dāng)時(shí)世界最大PEM電解工廠，額定裝機(jī)功率達(dá)6MW，此后PEM電解項(xiàng)目數(shù)量和裝機(jī)規(guī)模也在不斷提升。
2020年，法液空完成在加拿大貝坎庫(kù)爾的20兆瓦PEM電解水項(xiàng)目建設(shè)。
國(guó)內(nèi)方面，中科院大連化學(xué)物理研究所、中船重工集團(tuán)718研究所等單位正開展PEM純水制氫設(shè)備的研究與制造。 中石化、三一、隆基和陽光電源等國(guó)內(nèi)新進(jìn)入者更加關(guān)注PEM水電解制氫。
2021年3月4日，上海電氣電站集團(tuán)與中科院大連化學(xué)物理研究所正式簽訂“兆瓦級(jí)模塊化高效PEM電解水制氫設(shè)備及系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目合作協(xié)議”。
2021年3月18日，陽光電源重磅發(fā)布了“SEP50”PEM電解槽。據(jù)了解，該產(chǎn)品單槽功率250kW，是國(guó)內(nèi)目前單槽功率最大的PEM電解槽，也是國(guó)內(nèi)首款量產(chǎn)的50標(biāo)方PEM電解槽。
康明斯中標(biāo)中國(guó)石化首個(gè)2.5MWPEM項(xiàng)目。 2022年1月15日，龍?bào)纯萍迹?03906.SH）全資子公司龍?bào)礆淠茉垂九c中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所共同啟動(dòng)PEM電解水制氫催化劑的研發(fā)項(xiàng)目。
可以看出來，國(guó)內(nèi)PEM電解項(xiàng)目規(guī)模較小，當(dāng)前國(guó)內(nèi)交付應(yīng)用的設(shè)備大多是小型電解槽。到底是什么因素制約著PEM電解制氫的推廣呢？逐本溯源，我們需要回到PEM電解槽的構(gòu)造上。
03 影響PEM水電解制氫推廣的瓶頸
PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等。
其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場(chǎng)所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
資料來源：《PEM：最具潛力的電解水制氫技術(shù)》
在投資成本方面，過去5年電解槽成本已下降了40%，但是目前PEM電解成本投入仍舊比堿性電解水至少多一倍。
投資和運(yùn)行成本仍然是PEM水電解制氫亟待解決的主要問題。 電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心部分。
從成本構(gòu)成來看，電解槽在制氫系統(tǒng)總成本中的占比約為40%-50%。 而質(zhì)子交換膜是電解槽的核心部分，不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，而且還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命，因此在整個(gè)設(shè)備中至關(guān)重要。
區(qū)別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。
質(zhì)子交換膜制備曾長(zhǎng)期被杜邦、戈?duì)柕让绹?guó)和日本少數(shù)廠家壟斷，目前主要使用杜邦的nafion-711和511系列。該系列主要采用全氟磺酸樹脂制造，膜厚度是普通燃料電池交換膜的10-15倍，因此整體成本非常高。
目前，國(guó)內(nèi)東岳、科潤(rùn)等企業(yè)正積極布局，東岳150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程已投產(chǎn)，科潤(rùn)100萬平米質(zhì)子交換膜項(xiàng)目也已開工。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的不斷突破，國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代的空間巨大。
貴金屬催化劑方面，PEM膜電極陽極和陰極主要使用鉑和銥兩種貴金屬催化劑。
可是，從上游資源的分布來看，這兩種貴金屬在國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)量非常少，主要分布在南非、俄羅斯、南美等地區(qū)，一旦PEM制氫大規(guī)模使用，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)就會(huì)面臨原材料極度依賴外國(guó)進(jìn)口的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。
與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)這兩種催化劑的制作工藝和產(chǎn)能水平還無法與JohnsonMatthey等外資品牌媲美，國(guó)內(nèi)PEM設(shè)備企業(yè)進(jìn)口鉑和銥催化劑的需求仍比較明顯。
擴(kuò)散層材料方面，目前行業(yè)內(nèi)主要使用燒結(jié)氈、鈦氈和碳?xì)值炔牧下肪€，其中陽極以鈦氈效果最高，陰極主要使用碳?xì)?，為了?shí)現(xiàn)材料與自家工藝的最佳配合，擴(kuò)散層填充材料基本上都是需要定制，這也是體現(xiàn)各家工藝水平的核心環(huán)節(jié)之一。
雖然目前不少國(guó)內(nèi)企業(yè)都有類似的產(chǎn)品在送樣測(cè)試，但整體的效果和國(guó)外同行還有較大的差距。
除了擴(kuò)散層陽極填充材料，雙極板、端板等零部件都是使用鈦合金材料以防止發(fā)生氫脆現(xiàn)象，提高設(shè)備整體的安全性。鈦合金難加工，對(duì)國(guó)產(chǎn)企業(yè)的加工精度水平也提出非常高的要求。
總體來說，PEM制氫在國(guó)內(nèi)發(fā)展方興未艾，需要攻克多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，道阻且長(zhǎng)。
然而，在未來能源版圖中，氫能無疑是一塊重要拼圖，在國(guó)家積極推動(dòng)和資本介入下，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代的前景較為樂觀。
04 結(jié)語
在碳中和的背景下，新能源替代傳統(tǒng)能源是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。
能源對(duì)于一個(gè)國(guó)家的重要性不言而喻。國(guó)與國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)從傳統(tǒng)能源的爭(zhēng)奪逐步過渡到新能源建設(shè)的競(jìng)爭(zhēng)上。
各國(guó)政府都在大力支持氫能技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局，通過密集的扶持政策出臺(tái)爭(zhēng)取先人一步。
有了政府大規(guī)模的扶持和補(bǔ)貼，相信氫能的商用時(shí)間一定會(huì)早于預(yù)期。
現(xiàn)階段，首先要做的是推開氫能產(chǎn)業(yè)的第一重門，那便是PEM電解水技術(shù)國(guó)產(chǎn)化替代。