3月10日,电装株式会社的福岛工厂迎来丰田开发的新设备。
这是一款电解水制氢的小型设备,每小时可以生产8千克氢气。这些数量并不多的氢气将用于加力炉等设备。
丰田的这款设备使用的是PEM(质子交换膜)电解水制氢系统,也是这几年“双碳”语境下正引起讨论的技术。
其实制氢不算什么新事物。在上个世纪,人们已经学会用化石燃料制造氢气,后来这种会产生大量温室气体的制氢方式被称为“灰氢”,占据全球氢气产量的95%。而PEM电解水制氢在高精尖行业有些应用,但从未“破圈”。
随着对碳中和的关注,人们开始讨论另一种以太阳能、风能等新能源电解水制造的“绿氢”。
电解水制氢有几种技术路线,其中PEM电解水制氢因为快速启动的特性,最能适配新能源的波动,也更符合能源转型的发展趋势。这种从未规模化的电解水制氢技术显出更大的吸引力。
这一行业也出现了不太为人所知的技术导向型公司。2023年开年,一家低调的企业科润新材料完成2.4亿元C轮融资,领投方为红杉中国,跟投者包括一系列车企北汽产投、通用技术资本、宇通集团等。
科润新材料主攻方向就是质子交换膜电解水制氢中关键的那层“膜”。 一位投资人告诉36氪,如科润这样涉及核心新材料研发的企业,规模不太大的人民币基金根本没办法抢到份额。
因为成本高昂,PEM电解水制氢还不是主流技术路线。根据一位投资人对36氪的测算,PEM制氢规模在国内只有1-2亿元。但在十年甚至二十年后更绿色低碳的世界中,这种制氢方式会不可或缺。
PEM制氢脱胎于航天行业,经历了半个世纪的研发,也在世界各国有了规模不小的示范项目。但是为何这种制氢技术迟迟无法降低成本?中国在整个PEM制氢产业链上,又处于一个怎样的地位?
早在一百多年前,科学家Charles Renard就为法国军队的飞艇制造了一组电解水制氢系统。
目前,氢气主要还是用石油、煤这样的化石燃料或者化工副产品制造,但因为电解水制氢可以使用新能源,是种低碳环保的制氢方式,当然更符合未来趋势。
电解水制氢也有几种技术路线,应用最多,经济效益最好,工艺也成熟的是碱性电解水制氢(ALK)。这种制氢办法上世纪50年代已经完成了工业化,在中国也有半个多世纪的应用历史。
碱性电解水制氢技术是用高浓度(30%)的氢氧化钾溶液作为电解质,溶液通电后分解成氢气和氧气,浸泡在溶液中的隔膜以物理手段将氢气和氧气隔离开。
这种办法虽然应用时间长、成本也低,但有其无法克服的缺陷。碱性电解液(如氢氧化钾溶液)会和空气中的二氧化碳反应,形成碳酸盐。这些无法溶解的物质会阻塞设备,降低电解槽的性能。
同时,碱性电解水制氢必须保证阴极和阳极的压力均衡,否则氢气和氧气会穿过隔膜,混合后爆炸。
这也导致碱性电解水制氢技术需要更长的启动时间,短则15分钟,长需要2小时。
新能源如光伏、风电等等产生的电力特点之一就是功率会随着天气、光照等波动,电解水制氢系统也要跟随波动快速响应,而碱性电解水制氢长启动时间很难适配使用新能源的“绿氢”制备。
质子交换膜(PEM)电解水制氢也是在这种情况下引起注意。
PEM电解水制氢诞生时,是作为航天飞船的备用电力系统存在,需要接收太阳能,因此从一开始就要适应新能源电力的不稳定。
PEM电解水制氢的原理和碱性电解水制氢不同。碱性电解水制氢的电解质是碱性溶液,而质子交换膜的电解质就是那层膜。水分子在电极阳极发生氧化反应后变成氧气、电子和质子,质子(H+)在电场作用下,穿过交换膜,到阴极后重新得到电子,成为氢气( H2)。
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质子交换膜电解水制氢使用超纯水为原料,没有碱性溶液,因此氢气中不会带入碱雾,氢气品质更高,不用提纯就能直接用于燃料电池。
更重要的是,质子交换膜材料只有质子能穿透,不会出现氢氧混合的情况。这种情况下,阴极和阳极不需要保持相同的压力,可以快速停止和快速启动,西门子号称自己的PEM电解槽启动能做到一分钟以内。这种敏捷很适应可再生能源的电力波动。
稳定、高效、而且耐压都是质子交换膜制氢的优势,但诞生半个世纪后,它仍然没有大规模使用。这背后仍然有很多难以攻克的关口。
因为高能耗、高成本,电解水制氢都需要催化剂提高水分解反应的效率,这是必不可少的材料。
碱性电解水制氢因为是在碱性溶液中,可以用贵金属基催化剂,如铂、金,但也可以用镍这样的非贵金属基催化剂,现在很多大型碱性电解水制氢都用的镍网或者泡沫镍。
但PEM电解水制氢时,化学反应中会产生酸性物质,电极区域需要在酸性环境下工作,环境比碱性溶液还要苛刻,所以需要耐腐蚀、耐高电位、耐强氧化环境同时又能提高反应速度的材料。
在众多金属材料中,只有铱(Ir)这样昂贵而稀有的贵金属可以满足要求。然而,铱一年全球的产量只有5-10吨,价格是黄金的2倍以上。
而且,正因为PEM电解水制氢的恶劣环境, PEM电解槽使用的阴极板和阳极板也要耐腐蚀,一般都是用金属板涂上耐腐蚀的涂层。而碱性电解水制氢电解槽的双极板可以使用相对廉价的碳。同时,PEM电解槽中,包括传输层在内的部件也要使用基于钛的稳定贵金属。
PEM电解槽。图片来自:H-Tech Systems
而且,PEM电解水制氢对水的要求也高于碱性电解水制氢,它需要的原材料是超纯水,也就是净化到除了氢离子和氢氧根离子,几乎没有其他导电介质的水。这种水需要专门的机器制造。
从成本来看,PEM的设备从催化剂到双极板、催化剂、传输层,乃至于质子交换膜本身的投入都远高于碱性电解水制氢设备。国产的碱性电解槽制氢成本在2-3000元/kW,而PEM电解槽制氢的价格比碱性电解槽贵3倍以上。
哪怕2030年时更多使用可再生能源制氢,光伏电价也到了0.2元/kWh,碱性电解水制氢的成本还是比PEM制氢低50%。这让PEM制氢迟迟无法规模化。
能够让PEM电解水制氢增长,最关键的还是靠改进催化剂、双极板等等工艺,让PEM电解槽的寿命足以和碱性电解槽比肩,这样才能降低设备的折旧成本。也只有使用寿命更长,才会有规模化的可能,反向又推动价格下降,进入良性循环。
即便目前PEM电解水制氢离大规模商业化还很遥远,但它天然和“绿氢”适配,更适合十年甚至二十年后的低碳社会。
哪怕在当下这个时间点,PEM电解水制氢显得小众。有前瞻性的政府和大型公司,仍然不会轻易错过这个技术,
中国目前在PEM电解水制氢领域和海外企业相比还有不小的差距。推动PEM电解水制氢的研发,对于中国来说或许更为重要。
相比海外巨头,中国电解水设备厂商很年轻,而且主要做的都是碱性电解水制氢设备。PEM项目主要还是和海外厂商合作。如2022年12月,中石化就和美国的康明斯合作,由后者提供设备,在河南濮阳投产了首个兆瓦级PEM电解水制氢示范项目。
PEM电解槽的很多关键零部件,中国还依赖进口。如核心材料质子交换膜基本都由日本、欧洲和美国企业垄断。
2023年1月23日,河南濮阳,中国石化中原油田油我国单套最大PEM电解水制氢装置。图片来自视觉中国
质子交换膜从一开始通用公司研发,由杜邦公司改良,美国公司已经有半个多世纪的研发经验。所以,杜邦公司、陶氏化学也称为PEM膜的重要供应商,其中杜邦公司的PE膜因为稳定、防渗透性好等等优点最受欢迎。比利时的苏威、日本的旭硝子、旭化成也有不小声量。
而中国只有山东东岳集团和江苏科润等少数厂家能做出质子交换膜,即便实验室做出产品,离真正批量应用还有很长距离。2021年,山东东岳的产品在国内的市占率也不过15%,在全球份额更低。
除了作为“心脏”的质子交换膜,催化剂也由海外公司垄断。德国巴斯夫、英国庄信万丰、比利时优美科是催化剂的巨头,占比达到9成。
除了关键零部件,PEM电解槽制造也基本由海外公司垄断。挪威的氢气巨头NEL ASA的子公司在全球部署了2000多套PEM制氢装备,占据70%的市场份额。而其余的PEM设备制造商也分布于海外,包括西门子,康明斯和普拉格能源等。
技术本身并非不可攻克。全球多国都出现PEM制氢示范项目,真正制约行业的是,制氢技术还没有准备好迈入下一个阶段。
“在整个电解水制氢行业,现在的问题是老技术无法满足新市场。”新浚资本的金健告诉36氪。他认为现在对氢气的定位已经发生了变化。
过去制造的绿氢只需要满足半导体、医药、航天这样的少量高精尖行业,但现在中国对氢气的定位是一种“能源”。能源意味着必须做到低成本、大规模、可靠和安全。PEM电解水制氢虽然规模在提升,也能稳定适配新能源制氢,但降低成本面临较大挑战。
这种技术上的限制反向又导致国家政策偏于保守。“和电动车不同,氢产业链技术还不在中国。我们在技术上还没有准备好,国家不能确定成熟度,所以政策支持力度也不会很大。”投资人告诉36氪。
如制氢这样的高投入、高成本产业发展离不开国家政策扶持,但在他看来,国家还没有太多的资金注入这一行业。
除了技术本身的限制,氢能在终端市场还没有经过大规模验证。即便丰田、现代这样的大型车企都在氢燃料电池这一领域投入不小,但也没有推出量产产品。在上述投资人看来,真正大的市场变化可能需要10年甚至20年。
当然,氢能企业或车企虽然没有大规模投入,但它们并不会放弃PEM电解水制氢。
3月9日,中国氢能A+H“第一股”的氢燃料电池龙头亿华通,被报道要成立氢能科技公司,入局上游制氢环节。
相比光伏,氢能的产业链因为运输、存储会更复杂。但行业共识是,在整个产业链中,位于最上游的制氢相比多年没有大的技术变化的运氢、储氢环节,可能讲出更多故事。一直做下游燃料电池的巨头开始将触角伸向前端,也代表了行业的风向。
正是因为电解水制氢环节刚刚浮出水面,也有足够的技术壁垒,中小型创业公司还是创投资本还有些入局的可能。