在已經(jīng)進(jìn)入綠氫時(shí)代的今天，用“氫”作為綠色能源載體的想法已經(jīng)并不新鮮，水電解制氫已經(jīng)存在了兩百年。



然而，與石油和天然氣等一次能源相比，其成本較高，限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。當(dāng)前從碳基能源的轉(zhuǎn)變使綠色氫重新成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是作為一種替代能源載體，用于對(duì)電氣化具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，如重型車輛運(yùn)輸和工業(yè)。
氫氣有可能以經(jīng)濟(jì)高效的方式對(duì)這些部門進(jìn)行脫碳，這就是為什么世界各地的主要經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)撥出數(shù)十億美元用于發(fā)展綠色氫的關(guān)鍵使能技術(shù)?！?〕在歐洲聯(lián)盟（歐盟）中，當(dāng)“歐洲綠色協(xié)議”的基礎(chǔ)使氫成為優(yōu)先關(guān)注焦點(diǎn)時(shí)，歐洲工業(yè)協(xié)會(huì)氫歐洲宣布了這一點(diǎn)。目標(biāo)是到2030年部署80 GW的綠色氫氣生產(chǎn)能力。

與此同時(shí)，二氧化碳價(jià)格的上漲、可再生能源成本的下降以及電解槽成本的不斷降低，使得綠色氫氣越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，到2030年，低碳?xì)錃獾男枨罅繉⒔咏?00萬(wàn)噸/年


電解——邁向低成本綠色氫氣的關(guān)鍵


綠色氫氣是通過(guò)水電解產(chǎn)生的，水電解是一種將水和可再生能源轉(zhuǎn)化為氫和氧的技術(shù)。綠色氫氣的生產(chǎn)成本主要取決于可再生能源的成本。盡管LCOE顯著降低，電解效率進(jìn)一步提高，但預(yù)計(jì)這一情況在未來(lái)不會(huì)改變。第二個(gè)最重要的成本驅(qū)動(dòng)因素是資本支出：2020年，電解槽系統(tǒng)成本約為1000美元/千瓦，學(xué)習(xí)率約為15%，預(yù)計(jì)到2030年，成本將降低約60%（見(jiàn)圖1）。

資本支出減少主要是由于組件和系統(tǒng)制造的工業(yè)化和自動(dòng)化（規(guī)模經(jīng)濟(jì)）以及技術(shù)創(chuàng)新。僅催化劑涂層膜就占系統(tǒng)總成本的約11%。[3]鉑負(fù)載量的降低和成本效益膜的開(kāi)發(fā)是降低成本和釋放綠色氫氣市場(chǎng)潛力的關(guān)鍵。


圖1:1MW電解槽的預(yù)期電解槽學(xué)習(xí)曲線和2020年資本支出分割


聚合物膜——綠色氫氣的成本和性能驅(qū)動(dòng)因素


膜是電解槽和燃料電池中最重要的成本和性能驅(qū)動(dòng)因素之一，因?yàn)樗谡麄€(gè)系統(tǒng)成本中占有很大份額，并決定了系統(tǒng)的效率、功率密度和壽命。膜的主要工作是傳導(dǎo)離子，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受電氣短路，然而，原始設(shè)備制造商也關(guān)心許多其他關(guān)鍵性能指標(biāo)，如氣體交叉、水管理、尺寸穩(wěn)定性以及化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。聚合物電解質(zhì)膜（PEM）通常包括聚合物主鏈和帶負(fù)電的離子交換基團(tuán)?？商砑宇~外的添加劑和增強(qiáng)劑，以提高穩(wěn)定性和降低氣體交叉。


圖2：水電解用質(zhì)子交換膜的工作原理

電解和燃料電池中使用最廣泛的膜類別是基于全氟磺酸（PFSA），一種通過(guò)四氟乙烯和全氟磺酰乙烯基醚共聚產(chǎn)生的昂貴全氟離聚物。生產(chǎn)路線的高度復(fù)雜性和中間體的毒性限制了降低成本的潛力，并減緩了生產(chǎn)能力的擴(kuò)大。事實(shí)上，全球只有少數(shù)制造商處理PFSA合成所需的高爆炸性前體。已經(jīng)制定了多種策略來(lái)降低傳統(tǒng)PFSA膜的成本。

例如，W.L.Gore將PFSA離聚體與成本較低的聚四氟乙烯（PTFE）混合，這直接減少了PFSA需求，增強(qiáng)了膜，降低了氣體交叉。戈?duì)朣elect®膜已成為燃料電池的最先進(jìn)材料，并大規(guī)模應(yīng)用于久負(fù)盛名的豐田Mirai汽車。其他幾個(gè)PFSA膜開(kāi)發(fā)商也采用了類似的“強(qiáng)化”方法，如Chemours（前杜邦）、3M、Solvay和Enginer實(shí)驗(yàn)室?；蛘?，可以使用非氟化或部分氟化聚合物來(lái)降低生產(chǎn)成本。示例包括巴拉德電力系統(tǒng)公司的前BAM系列和巴斯夫公司的Celtec®-系列。盡管有許多商用膜技術(shù)，但仍然需要低成本的膜，其性能和耐久性水平與PFSA相當(dāng)。


綠氫膜市場(chǎng)的切入點(diǎn)


進(jìn)入綠色氫膜市場(chǎng)需要市場(chǎng)和技術(shù)專業(yè)知識(shí)。技術(shù)專長(zhǎng)理想地涵蓋不同的領(lǐng)域，如聚合物制造、化學(xué)合成和薄膜加工。因此，綠色氫膜為各種新進(jìn)入者提供了市場(chǎng)機(jī)會(huì)：

1.聚合物制造商：各種氟化聚合物和聚烯烴可用作燃料電池和電解槽膜的聚合物主鏈和增強(qiáng)材料。聚合物要么直接官能化，要么與離聚體混合以產(chǎn)生離子導(dǎo)電性。

2.化學(xué)/工程材料參與者：膜或膜前體的制造及其功能化可利用其他（專業(yè)）化學(xué)生產(chǎn)工藝和工程材料中使用的多種基礎(chǔ)設(shè)施。

3.薄膜/箔材加工行業(yè)：綠色氫膜通常通過(guò)溶液澆鑄或擠壓生產(chǎn)，以達(dá)到微米級(jí)的厚度。


[1] Examples in Europe include Spain (EUR 9B), Germany (EUR 9B), France (EUR 7B) or Italy (EUR 5B)

[2] IEA (2020), Hydrogen, IEA, Paris www.iea.org/reports/hydrogen

[3] National Renewable Energy Laboratory Technical Report 2019