3月23日，國家能源局、國家發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》。文中明確提出，氫能是未來國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，實現(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：到2025年，基本掌握核心技術和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設一批加氫站，可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年，實現(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)技術創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系，有力支撐碳達峰目標實現(xiàn)。到2035年，形成氫能多元應用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。

受此利好消息刺激，氫能概念股在二級市場掀起來漲停潮。

對產(chǎn)業(yè)有所了解的朋友們應該知道，自2016年氫能產(chǎn)業(yè)納入國家能源戰(zhàn)略以來，我國氫能產(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)中國氫能聯(lián)盟的預計，2020年至2025年間，中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達1萬億元，2026年至2035年產(chǎn)值達到5萬億元?？梢哉f，氫能未來的前景就是星辰大海。

當然，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)鏈各技術環(huán)節(jié)仍舊存在著諸多需要攻關的技術，比如液態(tài)氫儲運，IV型儲氫瓶，大型加氫站、電堆成本等等。

在這些問題之上，還有一個問題，如果無法解決氫能產(chǎn)業(yè)推進便無從談起。

這個環(huán)節(jié)便是推進氫能產(chǎn)業(yè)進程所面臨的第一重門——制氫。

深度脫胎靠綠氫

隨著氫能知識的逐步普及，人們對氫能燃燒高效無碳的優(yōu)點普遍接受，對氫能的產(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，高達煤炭、汽油等傳統(tǒng)燃料的3倍以上。

儲量上來看，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，且相對稀缺，價格高昂。

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；中游，是燃料電池及核心零部件，而它的下游，則是燃料電池應用。

現(xiàn)階段較為成熟的制氫的技術路線有三種：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，俗稱藍氫；二是以焦爐煤氣、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)氫氣的技術無法擺脫對傳統(tǒng)能源的消耗，雖然通過碳捕捉與封存技術（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放。但長期來看，只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實現(xiàn)真正的零碳排放。

我國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，其中，能達到工業(yè)氫氣質(zhì)量標準的約有1200萬噸?？稍偕茉囱b機量全球第一，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)實現(xiàn)深度脫碳的首要任務。

不過，實際進展道阻且長。根據(jù)IRENA的測算，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遠高于化石能源成本。

然而隨著光伏、風電的進一步降本，到2030年國內(nèi)部分可再生資源優(yōu)勢區(qū)域，其度電成本到達到0.1-0.15元/KWh，綠氫成本逐步下降到14元/KG左右，實現(xiàn)與灰氫平價。

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。

PEM電解水技術

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）四種技術路線。

目前堿性水電解與PEM的產(chǎn)業(yè)化程度相對較高。

堿性電解水技術最為成熟，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，因此電解槽造價成本較低；但是，難以快速啟動和變載，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。

從技術角度看，PEM電解水技術具有獨特優(yōu)勢，許多新建項目開始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解技術，近年開始獲得較多的市場份額。

相較堿性電解水技術，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)子傳導性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。

同時PEM電解水技術能夠提供更寬的負載范圍和更短的響應啟動時間，與水電、風電、光伏（發(fā)電的波動性和隨機性較大）具有良好的匹配性，最適合未來能源結(jié)構的發(fā)展。
 

近年來，PEM電解水技術的推進逐步提速。

2015年，西門子和林德氣體在德國美因茨能源園區(qū)建成當時世界最大PEM電解工廠，額定裝機功率達6MW，此后PEM電解項目數(shù)量和裝機規(guī)模也在不斷提升。2020年，法液空完成在加拿大貝坎庫爾的20兆瓦PEM電解水項目建設。

國內(nèi)方面，中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位正開展PEM純水制氫設備的研究與制造。

中石化、三一、隆基和陽光電源等國內(nèi)新進入者更加關注PEM水電解制氫。

2021年3月4日，上海電氣電站集團與中科院大連化學物理研究所正式簽訂“兆瓦級模塊化高效PEM電解水制氫設備及系統(tǒng)開發(fā)項目合作協(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，是國內(nèi)目前單槽功率最大的PEM電解槽，也是國內(nèi)首款量產(chǎn)的50標方PEM電解槽。

康明斯中標中國石化首個2.5MWPEM項目。

2022年1月15日，龍蟠科技（603906.SH）全資子公司龍蟠氫能源公司與中國科學院大連化學物理研究所共同啟動PEM電解水制氫催化劑的研發(fā)項目。

可以看出來，國內(nèi)PEM電解項目規(guī)模較小，當前國內(nèi)交付應用的設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電解槽的構造上。

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、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。

其中擴散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電化學反應的主場所，膜電極特性與結(jié)構直接影響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》

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，因此在整個設備中至關重要。

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穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導性、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)子交換膜制備曾長期被杜邦、戈爾等美國和日本少數(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，國內(nèi)東岳、科潤等企業(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100萬平米質(zhì)子交換膜項目也已開工。隨著國內(nèi)技術的不斷突破，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜實現(xiàn)進口替代的空間巨大。

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，這兩種貴金屬在國內(nèi)的儲量非常少，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，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)就會面臨原材料極度依賴外國進口的供應鏈風險。

與此同時，國內(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，國內(nèi)PEM設備企業(yè)進口鉑和銥催化劑的需求仍比較明顯。

擴散層材料方面，目前行業(yè)內(nèi)主要使用燒結(jié)氈、鈦氈和碳氈等材料路線，其中陽極以鈦氈效果最高，陰極主要使用碳氈，為了實現(xiàn)材料與自家工藝的最佳配合，擴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。

雖然目前不少國內(nèi)企業(yè)都有類似的產(chǎn)品在送樣測試，但整體的效果和國外同行還有較大的差距。

除了擴散層陽極填充材料，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，提高設備整體的安全性。鈦合金難加工，對國產(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制氫在國內(nèi)發(fā)展方興未艾，需要攻克多個技術環(huán)節(jié)，要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，道阻且長。

然而，在未來能源版圖中，氫能無疑是一塊重要拼圖，在國家積極推動和資本介入下，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代的前景較為樂觀。

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。

能源對于一個國家的重要性不言而喻。國與國的競爭從傳統(tǒng)能源的爭奪逐步過渡到新能源建設的競爭上。

各國政府都在大力支持氫能技術的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局，通過密集的扶持政策出臺爭取先人一步。

有了政府大規(guī)模的扶持和補貼，相信氫能的商用時間一定會早于預期。

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電解水技術國產(chǎn)化替代。