氢能是实现碳中和关键环节,碱性膜制氢需满足规模和成本两大关键指标,产业亟待国家标准制定|产学研开放麦第二期

点击量: 来源:络绎科学 时间:2023/2/20 17:58:33
伴随着传统化石能源日渐枯竭、环境保护和碳中和日趋重视,氢能作为一种清洁能源被业界寄予厚望,因其具有能量密度高、来源丰富、应用广泛、环境友好且无碳排放等诸多优点,对于保障能源安全、改善生态环境以及促进能源结构转型升级具有重要意义,因此氢能又被称为“21世纪的理想能源”。值得一提的是,绿色氢能入选 2021 年度《麻省理工科技评论》“十大突破性技术”。



然而,氢能的制取一直是困扰行业的一项挑战,如何实现经济、高效、绿色、便捷的氢能供应目标?固体氧化物电解(SOEC)和阴离子交换膜电解(AEM)法何时才能进入可商业化阶段?碱性电解制氢(ALK)未来是否仍是主流工艺?国产自主的质子交换膜是否已经成熟?

为探究以上问题,12 月 1 日,以“能源新路线探究之‘氢能制取’”为主题的第二期络绎科学产学研开放麦活动在线举办。清华大学化学工程系长聘教授王保国、南开大学电子信息与光学工程学院教授罗景山、险峰长青投资副总裁杨润心刻沃刻科技创始人易建华、中科创星高级投资经理王玮旸等学术界、产业界和投资界的嘉宾围绕氢能制取的技术发展现状、生产工艺、瓶颈突破以及商业化等多个层面进行了深入探讨。




近 20 年来,王保国课题组围绕膜分离和电化学工程的交叉领域研究,发展电化学工程学科,聚焦碱性膜电解水制氢、全钒液流电池、锌/空气电池材料与装备技术。此次活动首先介绍了电解水制氢的一系列技术路线,如碱性水溶液电解、质子交换膜电解、固体氧化物膜电解、碱性膜电解、酸碱双性膜电解等。

王保国看来,碱性膜电解水制氢具有一系列技术优势,“首先,能够快速启停,适应可再生能源发电的波动性;其次,无需使用贵金属催化剂,突破资源制约,降低造价;最后,能够提高电流密度,在降低造价的同时减少能耗。”王保国同时也期望能够找到更多业内合作伙伴,一起探索碱性膜电解水制氢技术。“以往是炼油,今后的目标是‘炼水’,让水和阳光变成明天的‘石油’。”

作为《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”入选者之一,罗景山长期从事光电催化能源材料和器件研究,现阶段他实验室的研究方向主要围绕水分解制氢、二氧化碳还原以及钙钛矿太阳能电池。

围绕氢能产业端,易建华介绍道,“目前公司专注于开发碱性膜制氢中的复合隔膜,产品已经过小试、中试,预计明年 2 月复合隔膜最大尺寸可扩展到 2 米,更好地满足市场需求。”在他看来,材料是制约技术发展的核心关键之一,具体到碱性膜制氢中的隔膜材料未来拥有很大的开发空间。

杨润心曾就职于百度集团战略部和埃森哲咨询公司,长期关注新能源和硬科技方向早期投资。在他看来,氢能是实现碳中和至关重要的一个环节和手段,而制氢、储氢是现阶段需要着力解决和突破的挑战。“与此同时,我们也在整个氢能产业链中也进行全面布局,比如上游的电解水制氢、新型膜材料;中游的储氢;下游的燃料电池和应用等。”他补充说。

王玮旸专注于新能源、电力和材料方向的早期创业投资,他表示,“氢能是在‘双碳’背景下的终极解决方案之一。氢能与碳捕获联合或将可以构建完整的‘零碳’循环技术路径。”




随着光伏的普及,绿电绿氢成本降低,电解法将成为未来制氢的主要技术手段,其中碱性膜电解水制氢是当前主流工艺。在王保国看来,碱性膜电解水制氢兼具先进性和未来性,拥有较好的应用前景,但该技术起步较晚、困难最多,现阶段市场尚未成熟。针对碱性膜电解水制氢的难点,“亟待解决关键材料和装备问题,并实现批量化制造,降低装备建设投入。”

罗景山表示,“实现‘碳中和’发展氢能是一条必经之路。氢能具有‘零碳’属性。比如当今的钢铁产业大都是需要用碳炼钢,想要实现‘零碳’那将需要用氢炼钢。氢能的用途可能不止在燃料电池电动汽车方面,其工业应用场景可能比交通场景更为广阔

他也看好碱性制氢的应用前景,“碱性制氢、质子交换膜制氢等在技术层面已有很长的发展历史,之所以未能实现规模化应用,主要是因为市场成熟度不高,而核心难点在于生产成本太高。”罗景山指出,“而基于阴离子交换膜的碱性电解槽能够实现纯度较高的氢氧分离,是一个未来发展趋势。”

基于产业投资角度,杨润心表示,电解水制氢的技术路径选择是一个关键问题,先前国内主要依靠火力发电,未来的发展趋势是可再生能源,需要大力发展光伏和风能来替代传统的火力发电。在他看来,“更重要的一点是看到氢能在大环境下的角色和定位。氢能的作用主要体现在三方面,燃料、原料、储能。燃料方面,氢能热值较高且无碳排放,可替代传统化石燃料,应用于汽车、航空、船舶等;原料方面,主要应用于化工和钢铁工业中;储能方面,氢能或将成为未来一种储存能源的新型方式。”

同时,他也指出,“碱性膜制氢的技术路线在短期内能够满足规模和成本两个关键指标,是一种比较好的技术路线。中长期而言,制氢产业一旦在上游形成规模自然可以带动成本的下降,下游用氢的需求增加,解决储运和成本问题,进而带动整个制氢全产业链的良性发展。”

王玮旸则表示,“围绕氢能,技术的发展要与产业的发展相匹配。一般来说,技术研发有可能会超前于产业,但最终带来的价值与产业需求息息相关,若产业需求没有彻底爆发则技术往往难以落地。”他表示,目前还难以看出哪条制氢技术路线更优,能够看到的是整个能源系统演进的三条主线是清晰的:一是从中心化走向分布式,二是从单一能源形式走向多元化,三是从化石能源走向低碳、清洁能源。“所以,氢能未来将会在不同的场景有不同的需求及应用模式,随着下游需求的逐步增加,上游的技术问题都会迎刃而解。”

作为产业端,易建华指出,“碱性膜制氢将会是未来十年的主流技术路线。其他比如质子交换膜制氢(PEM)技术成熟,但需要贵金属,成本相对较高;阴离子交换膜电解制氢(AEM)的技术成熟度还有待验证。然而,碱性膜制氢产业现阶段仍然没有相关标准,因此,相关标准的制定(国标化)是现阶段整个产业亟待解决的需求。”








目前,谈及学界在制氢环节的主要研究方向,罗景山介绍道,“除了电解水制氢,还有光解水制氢,包括光催化制氢、光电催化制氢、光伏电催化制氢等,以及目前比较前沿的甲烷裂解制氢技术。另外,从热力学角度,将水加热至超高温即可直接裂解为氢气和氧气。”在他看来,做研究就要胆大并勇于探索前沿,而做产业则要相对保守,需要综合经济性、稳定性等一系列要素。

杨润心表示,目前的制氢技术路线比较多,匹配当前绿氢制备需要满足几个关键点,“其一,技术方法能否通过大规模、批量化的进行;其二,如何有效降低制造成本;其三,对于氢气纯度的要求。”综合而言,需要判断这些技术路线比较适合这些场景和要求。因此,不能脱离场景来评价一种技术路线是否具有潜力。

王玮旸对此也表示认同,他说,“首先,将氢能作为能源进行应用其实还是一个很‘年轻’的领域,整个氢能市场也刚刚开始起步;其次,随着氢能下游应用场景的增加,制氢技术存在更多可能性,现阶段很难判断哪种技术未来能够‘一统江湖’;最后,目前的氢能产业链较为‘初级’,现在的很多假设很可能会因为基础的变化而变化,因此现阶段需要‘大胆假设、小心求证’。”他说道。

对于应用场景,易建华表示,“做科研要进行多方面探索,而我们作为产业端,需要做符合国内消费市场的产品,把现有的确定的目标做到极致,进而实现成本的降低。”在他看来,“其实成本并不是核心问题,技术的稳定性以及规模化需求才是关键。相较于日本、美国等,国内的隔膜技术还存在一定差距,作为产业端肩负很大的使命,来开发更好的隔膜技术,缩短国内外差距,造福产业和社会。”




据公开资料显示,质子交换膜具有高质子传导性、高机械强度、高耐久性以及低气体渗透率等优良特性,其中,全氟磺酸膜(PFSA)是常用的电解水制氢用质子交换膜,最具代表性的是杜邦(科慕)公司开发的 Nafion 膜。在王保国看来,“膜的开发并不困难,关键在于全氟磺酸树脂制造,价格过高、产能不够是其主要制约因素。”所谓质子膜,又称阳离子交换膜,即导通氢离子的膜,其对材料的要求非常苛刻,既要耐酸,又要耐高温、耐氧化腐蚀等,还要导通离子快。想要实现突破,要在成膜机理上,实现源头创新,完成从零到一的转变,这才是破局的关键。”

而在罗景山看来,Nafion 膜已经是一个非常成熟的工艺,作为应对方案,“我们可以开发新技术绕过其相关专利,另外,聚焦在目前不够成熟的阴离子交换膜领域,实现错位竞争也是一种方法。”他说道。在这一领域,相较于“弯道超车”,“变道超车”或许是更好的解决方案。

杨润心则表示,下游需求决定上游生产方向,例如在产业尚未形成规模的时候上游企业生产的产品会滞销。“就国内而言,在资金、人才等方面有优势,产业化速度会更快。从投资角度,我们看重这个领域中的关键材料和关键器件等的突破,并且这个领域也非常适合国内市场,一旦实现突破,技术壁垒相对较高并在成本方面占据优势。”他说道。

“现阶段国内的产业端已经实现了功能性隔膜产品‘从无到有’的转变,接下来需要进一步精进提升性能,进行技术攻关解决更多功能的方面的问题,同时,很多关键技术问题突破也同时需要社会、人才以及政府层面的联合才能做出更好的成绩。”易建华说道。

如今,质子交换膜工艺中的电极催化剂也被广泛研究,其中阳极催化层目前最为先进的催化剂是氧化铱,但国内铱的持有量较低。“就目前而言,在强氧化和酸性环境下能够保持稳定的金属只有铱,因此寻求更高活性的铱或在不改变活性前提下减少铱的用量。”罗景山指出。

“虽然目前市面上还没有出现真正产业化、寿命持久且不依赖贵金属的催化剂,但我非常有信心随着技术发展不久的将来即可实现。”易建华补充说。

“质子交换膜是制约氢能发展的痛点之一,在我看来,开发新材料体系其实是更值得探索的空间。”王玮旸说道,“氢能是一个比较早期的行业,在刚起步的阶段会呈现出百花齐放的发展态势,产业的持续发展不仅需要科研端的开拓,也需要产业端的牵引以及国家政策层面的支持。就国内而言,经过多年的‘预热’,今年才逐渐开始进入到‘起跑’的阶段,未来,新的材料体系才是重点,而材料体系的建立才标志着国内氢能产业正式进入成熟阶段。”