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(lái)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(lái)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(wàn)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(wàn)噸/年，實(shí)現(xiàn)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(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。

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(lái)，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(wàn)億元，2026年至2035年產(chǎn)值達(dá)到5萬(wàn)億元。可以說(shuō)，氫能未來(lái)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。

儲(chǔ)量上來(lái)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(lái)是獲取最便利和成本最低的能源之一。 

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。

前兩者生產(chǎn)氫氣的技術(shù)無(wú)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(lái)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(wàn)噸，其中，能達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約有1200萬(wàn)噸?？稍偕茉囱b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(lái)，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。

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(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。

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)。

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。

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(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(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(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(lái)能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

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)。

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(yáng)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。

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(lái)，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。

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。

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。

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(wàn)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(wàn)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。

可是，從上游資源的分布來(lái)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(wú)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(yáng)極以鈦氈效果最高，陰極主要使用碳?xì)郑瑸榱藢?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。

除了擴(kuò)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(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。

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(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。