中石化砸錢的制氫項目，背后是個卡脖子的新能源產業

　　電解水制氫有幾種技術路線，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，也更符合能源轉型的發展趨勢。這種從未規模化的電解水制氫技術顯出更大的吸引力。

　　3月10日，電裝株式會社的福島工廠迎來豐田開發的新設備。

　　這是一款電解水制氫的小型設備，每小時可以生產8千克氫氣。這些數量并不多的氫氣將用于加力爐等設備。

　　豐田的這款設備使用的是PEM(質子交換膜)電解水制氫系統，也是這幾年“雙碳”語境下正引起討論的技術。

　　其實制氫不算什么新事物。在上個世紀，人們已經學會用化石燃料制造氫氣，后來這種會產生大量溫室氣體的制氫方式被稱為“灰氫”，占據全球氫氣產量的95%。而PEM電解水制氫在高精尖行業有些應用，但從未“破圈”。

　　隨著對碳中和的關注，人們開始討論另一種以太陽能、風能等新能源電解水制造的“綠氫”。

　　電解水制氫有幾種技術路線，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，也更符合能源轉型的發展趨勢。這種從未規?；碾娊馑茪浼夹g顯出更大的吸引力。

　　這一行業也出現了不太為人所知的技術導向型公司。2023年開年，一家低調的企業科潤新材料完成2.4億元C輪融資，領投方為紅杉中國，跟投者包括一系列車企北汽產投、通用技術資本、宇通集團等。

　　科潤新材料主攻方向就是質子交換膜電解水制氫中關鍵的那層“膜”。 一位投資人告訴36碳，如科潤這樣涉及核心新材料研發的企業，規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路線。根據一位投資人對36碳的測算，PEM制氫規模在國內只有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，經歷了半個世紀的研發，也在世界各國有了規模不小的示范項目。但是為何這種制氫技術遲遲無法降低成本?中國在整個PEM制氫產業鏈上，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，科學家Charles Renard就為法國軍隊的飛艇制造了一組電解水制氫系統。

　　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品制造，但因為電解水制氫可以使用新能源，是種低碳環保的制氫方式，當然更符合未來趨勢。

　　電解水制氫也有幾種技術路線，應用最多，經濟效益最好，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年代已經完成了工業化，在中國也有半個多世紀的應用歷史。

　　堿性電解水制氫技術是用高濃度(30%)的氫氧化鉀溶液作為電解質，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，形成碳酸鹽。這些無法溶解的物質會阻塞設備，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。

　　這也導致堿性電解水制氫技術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、風電等等產生的電力特點之一就是功率會隨著天氣、光照等波動，電解水制氫系統也要跟隨波動快速響應，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存在，需要接收太陽能，因此從一開始就要適應新能源電力的不穩定。

　　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是堿性溶液，而質子交換膜的電解質就是那層膜。水分子在電極陽極發生氧化反應后變成氧氣、電子和質子，質子(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，氫氣品質更高，不用提純就能直接用于燃料電池。

　　更重要的是，質子交換膜材料只有質子能穿透，不會出現氫氧混合的情況。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。這種敏捷很適應可再生能源的電力波動。

　　穩定、高效、而且耐壓都是質子交換膜制氫的優勢，但誕生半個世紀后，它仍然沒有大規模使用。這背后仍然有很多難以攻克的關口。

　　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，現在很多大型堿性電解水制氫都用的鎳網或者泡沫鎳。

　　但PEM電解水制氫時，化學反應中會產生酸性物質，電極區域需要在酸性環境下工作，環境比堿性溶液還要苛刻，所以需要耐腐蝕、耐高電位、耐強氧化環境同時又能提高反應速度的材料。

　　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，包括傳輸層在內的部件也要使用基于鈦的穩定貴金屬。

　　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，幾乎沒有其他導電介質的水。這種水需要專門的機器制造。

　　從成本來看，PEM的設備從催化劑到雙極板、催化劑、傳輸層，乃至于質子交換膜本身的投入都遠高于堿性電解水制氫設備。國產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?；?/p>

　　能夠讓PEM電解水制氫增長，最關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，這樣才能降低設備的折舊成本。也只有使用壽命更長，才會有規?；目赡埽聪蛴滞苿觾r格下降，進入良性循環。

　　中國能做什么?世界又能做什么?

　　即便目前PEM電解水制氫離大規模商業化還很遙遠，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，

　　中國目前在PEM電解水制氫領域和海外企業相比還有不小的差距。推動PEM電解水制氫的研發，對于中國來說或許更為重要。

　　相比海外巨頭，中國電解水設備廠商很年輕，而且主要做的都是堿性電解水制氫設備。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，由后者提供設備，在河南濮陽投產了首個兆瓦級PEM電解水制氫示范項目。

　　PEM電解槽的很多關鍵零部件，中國還依賴進口。如核心材料質子交換膜基本都由日本、歐洲和美國企業壟斷。

　　質子交換膜一開始由通用公式研發，由杜邦公司改良，美國公司已經有半個多世紀的研發經驗。所以，杜邦公司、陶氏化學也稱為PEM膜的重要供應商，其中杜邦公司的PEM膜因為穩定、防滲透性好等等優點最受歡迎。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廠家能做出質子交換膜，即便實驗室做出產品，離真正批量應用還有很長距離。2021年，山東東岳的產品在國內的市占率也不過15%，在全球份額更低。

　　除了作為“心臟”的質子交換膜，催化劑也由海外公司壟斷。德國巴斯夫、英國莊信萬豐、比利時優美科是催化劑的巨頭，占比達到9成。

　　除了關鍵零部件，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70%的市場份額。而其余的PEM設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。

　　技術本身并非不可攻克。全球多國都出現PEM制氫示范項目，真正制約行業的是，制氫技術還沒有準備好邁入下一個階段。

　　“在整個電解水制氫行業，現在的問題是老技術無法滿足新市場。”新浚資本的金健告訴36碳。他認為現在對氫氣的定位已經發生了變化。

　　過去制造的綠氫只需要滿足半導體、醫藥、航天這樣的少量高精尖行業，但現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、大規模、可靠和安全。PEM電解水制氫雖然規模在提升，也能穩定適配新能源制氫，但降低成本面臨較大挑戰。

　　這種技術上的限制反向又導致國家政策偏于保守。“和電動車不同，氫產業鏈技術還不在中國。我們在技術上還沒有準備好，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、高成本產業發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。

　　除了技術本身的限制，氫能在終端市場還沒有經過大規模驗證。即便豐田、現代這樣的大型車企都在氫燃料電池這一領域投入不小，但也沒有推出量產產品。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。

　　當然，氫能企業或車企雖然沒有大規模投入，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，入局上游制氫環節。

　　相比光伏，氫能的產業鏈因為運輸、存儲會更復雜。但行業共識是，在整個產業鏈中，位于最上游的制氫相比多年沒有大的技術變化的運氫、儲氫環節，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，也代表了行業的風向。

　　正是因為電解水制氫環節剛剛浮出水面，也有足夠的技術壁壘，中小型創業公司還是創投資本還有些入局的可能。

　　來源：36碳　作者：袁斯來

作者：袁斯來