有了大規模的扶持和補貼，相信氫能的商用時(shí)間一定會(huì )早于預期。

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(cháng)期規劃（2021-2035年）》。文中明確提出，氫能是未來(lái)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(diǎn)，實(shí)現綠色低碳轉型，將氫能產(chǎn)業(yè)作為戰略新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。

此外，《規劃》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(shù)和制造工藝，燃料電池車(chē)輛保有量約5萬(wàn)輛，部署建設一批加氫站，可再生能源制氫量達到10-20萬(wàn)噸/年，實(shí)現二氧化碳減排100-200萬(wàn)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體系，有力支撐碳達峰目標實(shí)現。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(chǎng)掀起來(lái)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)納入國家能源戰略以來(lái)，我國氫能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節已初具雛形，完成了從0-1的過(guò)程、正在邁向從1-N的道路。

根據中國氫能聯(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(wàn)億元，2026年至2035年產(chǎn)值達到5萬(wàn)億元?？梢哉f(shuō)，氫能未來(lái)的前景就是星辰大海。

當然，現階段產(chǎn)業(yè)鏈各技術(shù)環(huán)節仍舊存在著(zhù)諸多需要攻關(guān)的技術(shù)，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(wèn)題之上，還有一個(gè)問(wèn)題，如果無(wú)法解決氫能產(chǎn)業(yè)推進(jìn)便無(wú)從談起。

這個(gè)環(huán)節便是推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)程所面臨的第一重門(mén)——制氫。

01

深度脫胎靠綠氫

隨著(zhù)氫能知識的逐步普及，人們對氫能燃燒高效無(wú)碳的優(yōu)點(diǎn)普遍接受，對氫能的產(chǎn)業(yè)鏈也有所了解。

的確，能效上來(lái)看，氫氣的熱值約為140MJ/kg，高達煤炭、汽油等傳統燃料的3倍以上。

儲量上來(lái)看，氫是宇宙中含量最多的元素，大約占據宇宙質(zhì)量的75%，地球上豐富的水資源中蘊含著(zhù)大量可供開(kāi)發(fā)的氫能，未來(lái)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了很大比例，且相對稀缺，價(jià)格高昂。

電池生產(chǎn)過(guò)程中要使用大量鋰、鈷、鎳等金屬材料，其生產(chǎn)過(guò)程中，金屬材料的開(kāi)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(guò)燃料電池發(fā)電的產(chǎn)物為水，能夠實(shí)現真正的零碳排放，對環(huán)境不造成任何污染。故而氫能被稱(chēng)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。

現階段較為成熟的制氫的技術(shù)路線(xiàn)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(chēng)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(chēng)灰氫；三是電解水制氫，俗稱(chēng)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(shù)無(wú)法擺脫對傳統能源的消耗，雖然通過(guò)碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。但長(cháng)期來(lái)看，只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現真正的零碳排放。

我國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸，其中，能達到工業(yè)氫氣質(zhì)量標準的約有1200萬(wàn)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(lái)，通過(guò)電解水可以將富足的可再生能源轉化成綠氫，為建筑、交通、工業(yè)等高排放部門(mén)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(lái)綠氫的大規模生產(chǎn)，才是氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)現深度脫碳的首要任務(wù)。

不過(guò)，實(shí)際進(jìn)展道阻且長(cháng)。根據IRENA的測算，全球僅有4%的氫氣來(lái)自電解水制氫，其余均來(lái)自煤炭、天然氣以及石油煉化領(lǐng)域。

未能大規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(zhù)光伏、風(fēng)電的進(jìn)一步降本，到2030年國內部分可再生資源優(yōu)勢區域，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(shí)現與灰氫平價(jià)。

具備深度脫碳屬性的綠氫無(wú)疑是更好的選擇，大規模商用拓展便隨之來(lái)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(yáng)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(xiàn)。

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(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(wú)法快速調節制氫速度，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)具有獨特優(yōu)勢，許多新建項目開(kāi)始轉向選擇PEM電解技術(shù)，近年開(kāi)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(wú)污染、無(wú)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(shí)PEM電解水技術(shù)能夠提供更寬的負載范圍和更短的響應啟動(dòng)時(shí)間，與水電、風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機性較大）具有良好的匹配性，最適合未來(lái)能源結構的發(fā)展。

近年來(lái)，PEM電解水技術(shù)的推進(jìn)逐步提速。

2015年，西門(mén)子和林德氣體在德國美因茨能源園區建成當時(shí)世界最大PEM電解工廠(chǎng)，額定裝機功率達6MW，此后PEM電解項目數量和裝機規模也在不斷提升。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。

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

中石化、三一、隆基和陽(yáng)光電源等國內新進(jìn)入者更加關(guān)注PEM水電解制氫。

2021年3月4日，上海電氣電站集團與中科院大連化學(xué)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開(kāi)發(fā)項目合作協(xié)議”。

2021年3月18日，陽(yáng)光電源重磅發(fā)布了“SEP50”P(pán)EM電解槽。據了解，該產(chǎn)品單槽功率250kW，是國內目前單槽功率最大的PEM電解槽，也是國內首款量產(chǎn)的50標方PEM電解槽。

康明斯中標中國石化首個(gè)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(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)項目。

可以看出來(lái)，國內PEM電解項目規模較小，當前國內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(zhù)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。

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到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層、陰陽(yáng)極氣體擴散層、陰陽(yáng)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(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應的主場(chǎng)所，膜電極特性與結構直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。

在投資成本方面，過(guò)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(wèn)題。

電解槽是電解水制氫系統的核心部分。從成本構成來(lái)看，電解槽在制氫系統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(gè)設備中至關(guān)重要。

區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(cháng)期被杜邦、戈爾等美國和日本少數廠(chǎng)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(shù)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，國內東岳、科潤等企業(yè)正積極布局，東岳150萬(wàn)平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線(xiàn)一期工程已投產(chǎn)，科潤100萬(wàn)平米質(zhì)子交換膜項目也已開(kāi)工。隨著(zhù)國內技術(shù)的不斷突破，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜實(shí)現進(jìn)口替代的空間巨大。

貴金屬催化劑方面，PEM膜電極陽(yáng)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(lái)看，這兩種貴金屬在國內的儲量非常少，主要分布在南非、俄羅斯、南美等地區，一旦PEM制氫大規模使用，國內產(chǎn)業(yè)就會(huì )面臨原材料極度依賴(lài)外國進(jìn)口的供應鏈風(fēng)險。

與此同時(shí)，國內這兩種催化劑的制作工藝和產(chǎn)能水平還無(wú)法與JohnsonMatthey等外資品牌媲美，國內PEM設備企業(yè)進(jìn)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)內主要使用燒結氈、鈦氈和碳氈等材料路線(xiàn)，其中陽(yáng)極以鈦氈效果最高，陰極主要使用碳氈，為了實(shí)現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，這也是體現各家工藝水平的核心環(huán)節之一。

雖然目前不少?lài)鴥绕髽I(yè)都有類(lèi)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(yáng)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(lái)說(shuō)，PEM制氫在國內發(fā)展方興未艾，需要攻克多個(gè)技術(shù)環(huán)節，要實(shí)現大規模商業(yè)化，道阻且長(cháng)。

然而，在未來(lái)能源版圖中，氫能無(wú)疑是一塊重要拼圖，在國家積極推動(dòng)和資本介入下，實(shí)現國產(chǎn)化替代的前景較為樂(lè )觀(guān)。

04

結語(yǔ)

在碳中和的背景下，新能源替代傳統能源是歷史發(fā)展的必然趨勢。

能源對于一個(gè)國家的重要性不言而喻。國與國的競爭從傳統能源的爭奪逐步過(guò)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(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局，通過(guò)密集的扶持政策出臺爭取先人一步。

有了政府大規模的扶持和補貼，相信氫能的商用時(shí)間一定會(huì )早于預期。

現階段，首先要做的是推開(kāi)氫能產(chǎn)業(yè)的第一重門(mén)，那便是PEM電解水技術(shù)國產(chǎn)化替代。