隨著我國氫能頂層政策體系逐步展開，氫能有望近期正式納入國家能源體系。與此同時燃料電池和FCV技術(shù)亦日趨成熟，氫氣的來源和成本已成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，電解槽也隨之成為產(chǎn)業(yè)熱點。本文梳理了堿性（ALK）、陰離子交換膜（AEM）、質(zhì)子交換膜（PEM）和固體氧化物（SOEC）四大電解水技術(shù)及歐美發(fā)展動態(tài)，供業(yè)界人士參考。
1. 導(dǎo)言
從材料、性能、效率和成本，上圖中四種電解水技術(shù)都有自身的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。相比堿性電解槽，在特定應(yīng)用場景（如車規(guī)級氫能、波動性可再生能源）中PEM的優(yōu)勢日漸明顯，國際上許多新建項目已開始選用PEM電解槽，其市場滲透率預(yù)期會逐步擴大。SOEC和AEM做為新興技術(shù)都有巨大潛力，也是歐美研發(fā)的重點，但前者在規(guī)模量產(chǎn)前在耐久性、制造工藝上還有待提升，后者目前還處在基礎(chǔ)材料研發(fā)階段。
上圖中列出的技術(shù)成熟度 （TRL） 為美國能源部2020年時的劃分。歐盟2020年時對其SOEC的評估為TRL7，高于美國能源部的TRL5-6。
美國和歐盟均將PEM和 SOEC電解水做為近期研發(fā)重點，生物質(zhì)（Biomass）制氫做為中期目標。另外，美國能源部將直接利用太陽的光和熱（光電催化）制氫做為長期研發(fā)戰(zhàn)略，其三大類制氫路線則具體反映在下圖二中各相關(guān)技術(shù)的成熟度上。
2. 質(zhì)子交換膜電解槽
質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽使用較薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先進的電極結(jié)構(gòu)，低阻、高效。PFSA膜化學(xué)、機械性都很穩(wěn)定，且耐壓，因此PEM電池可在最高達70 bar下運行，而氧氣側(cè)則處于常壓。PEM電解槽的缺點是需在高酸性、高電勢和不利的氧化環(huán)境中工作，因此需要高穩(wěn)定性的材料。價格昂貴的鈦基材料、貴金屬催化劑和保護涂層是必要的，這不僅為電池元件提供了高穩(wěn)定性，也提供了良好的傳導(dǎo)性和電池效率。PEM系統(tǒng)有著緊湊、簡單的設(shè)計，但對水的雜質(zhì)敏感（如鐵、銅、鉻、鈉），并會受到煅燒的影響。
質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽使用較薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先進的電極結(jié)構(gòu)，低阻、高效。PFSA膜化學(xué)、機械性都很穩(wěn)定，且耐壓，因此PEM電池可在最高達70 bar下運行，而氧氣側(cè)則處于常壓。PEM電解槽的缺點是需在高酸性、高電勢和不利的氧化環(huán)境中工作，因此需要高穩(wěn)定性的材料。價格昂貴的鈦基材料、貴金屬催化劑和保護涂層是必要的，這不僅為電池元件提供了高穩(wěn)定性，也提供了良好的傳導(dǎo)性和電池效率。PEM系統(tǒng)有著緊湊、簡單的設(shè)計，但對水的雜質(zhì)敏感（如鐵、銅、鉻、鈉），并會受到煅燒的影響。
在美國，Plug Power在2020年以5,800萬美元收購了Giner ELX，并在去年以9,800萬美元收購了frames Group，從而擁有了前者的PEM電解水實驗室技術(shù)和后者的設(shè)備、工程能力。另外，Plug在2020年以6,500萬美元收購了民用液氫生產(chǎn)、儲運公司United Hydrogen。繼燃料電池叉車后，Plug計劃將PEM電解水發(fā)展成其另一主營業(yè)務(wù)。2007年，Plug以1,000萬美元收購了專注叉車業(yè)務(wù)的General Hydrogen（該公司由Geoffrey Ballard在2000年離開巴拉德后創(chuàng)辦），開啟了燃料電池在叉車領(lǐng)域的破冰之旅；目前Plug在全美已部署了四萬多臺叉車。
作為美國電解水技術(shù)的代表，Giner ELX及其原母公司Giner Labs 的多個PEM和AEM研發(fā)項目得到美國能源部的資助。目前，美國PEM電解水材料的研發(fā)重點是機理研究和提升材料性能，而AEM則是材料開發(fā)和機理研究，并成立了下圖中以大學(xué)、國家實驗室為主導(dǎo)的研發(fā)專項。
3. 陰離子交換膜電解槽
作為最新的電解水技術(shù)，陰離子交換膜（AEM）電解槽的潛力在于將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、高效相結(jié)合。該技術(shù)能使用非貴金屬催化劑、無鈦部件，并和PEM一樣能在壓差下運行，但是目前AEM膜存在化學(xué)、機械穩(wěn)定性的問題，影響壽命曲線。此外，AEM膜的傳導(dǎo)性低，催化動力學(xué)慢和電極結(jié)構(gòu)較差也影響著AEM的性能。性能的提升通常是通過調(diào)整膜的傳導(dǎo)性，或通過添加支持性電解質(zhì)（如KOH、NaHCO3）來實現(xiàn)，但這又會降低耐久性。在PEM中，OH-離子的傳導(dǎo)速度要比H+質(zhì)子慢三倍，因此AEM將面臨更大的挑戰(zhàn)，需要研制更薄或具有更高電荷密度的膜，同時對BOP輔助系統(tǒng)也提出了較高的要求。
根據(jù)是否需要堿性電解質(zhì)，目前國際上AEM的研發(fā)方向分為堿性電解質(zhì)系統(tǒng)和純水系統(tǒng)（即無堿液，便于系統(tǒng)維護）。前者的研發(fā)重點是提升電流密度和耐久性；后者是提升膜的穩(wěn)定性，并使用先進的膜和無（或低）PGM催化劑來提升性能和耐久性。另外，AEM的單位電堆成本要比PEM低許多，故通過降低小室電壓來提升AEM的電能效率也是一個研發(fā)策略。
目前AEM技術(shù)尚處于研發(fā)階段。國際上領(lǐng)先的開發(fā)、制造商是意大利的ENAPTER，其實現(xiàn)了小型產(chǎn)品的商業(yè)化，下圖右上為其產(chǎn)品公開參數(shù)，右下為美國能源部2021年對其問卷調(diào)研信息。
目前ENAPTER的研發(fā)重點是在純水系統(tǒng)下提升膜的傳導(dǎo)性和耐久性，以期達到電流密度 >1A/cm2（小室工作電壓1.8V）和衰減速率 <15mV/1000小時。在膜的研發(fā)方面，加拿大Ionomr Innovations Inc. 已取得一定的進展，其Aemion+™膜正在解決AEM聚合物結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定分解機制的根源。
作為現(xiàn)代PEM燃料電池技術(shù)的發(fā)源地，加拿大擁有 Ballard, Hydrogenics, Carbon Engineering, Westport等一批前瞻性技術(shù)公司，這得益于加拿大政府對突破性創(chuàng)新的高度重視。1983年，當(dāng)時還叫 Ballard Research Inc. 的公司從加拿大聯(lián)邦政府獲得了50萬加元資助，開啟了PEM燃料電池技術(shù)的商業(yè)化之旅。今天業(yè)界祝愿Ballard歷史能在Ionomr公司重現(xiàn)，下圖為加拿大時任駐華大使和麥肯錫前全球總裁Dominic Barton在FCVC 2021上參觀該公司展位和加拿大展區(qū)。
4. 固體氧化物電解槽
固體氧化物（SOEC）電解槽在高溫（700-850℃）下運行，動力學(xué)上的優(yōu)勢使其可使用廉價的鎳電極。如利用工業(yè)生產(chǎn)中高品質(zhì)的余熱（比如能量輸入為75%電能+25%水蒸氣中的熱能），SOEC的系統(tǒng)效率（LHV H2 to AC）近期內(nèi)有望達到達85%，并在10年內(nèi)達到歐盟的2030目標90%。SOEC電解槽進料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣（Syngas，氫氣和一氧化碳的混合物），再進一步生產(chǎn)合成燃料（e-fuels，如柴油、航空燃油）。因此SOEC技術(shù)有望被廣泛應(yīng)用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學(xué)合成品，這是歐盟近年來的研發(fā)重點。SOEC的另一優(yōu)勢是可逆性，即可逆燃料電池用于可再生能源的存儲，這也是歐美的一個長期重點研發(fā)課題。
耐久性是SOEC目前的首要問題，熱化學(xué)循環(huán)，特別是系統(tǒng)停、啟時，都會加速老化，降低使用壽命。目前固體氧化物的材料包括通過添加8%氧化釔來提升穩(wěn)定性的二氧化鋯，其分子式為 （ZrO2）0.92（Y2O3）0.08。提升固體氧化物的性能、耐久性和降低操作溫度是目前歐美研發(fā)的重點。
美國SOEC代表性公司包括FuelCell Energy和康明斯。在2016-2020間，F(xiàn)uelCell Energy負責(zé)了一個美國能源部撥款為300萬美元的SOEC研發(fā)項目，并完成了下面的指標。
- 電堆效率（LHV H2 to AC）>95%
- 系統(tǒng)效率（LHV H2 to AC）>90%
- 系統(tǒng)效率（LHV, 以電能+熱能計）>75%
- 單電池衰減速率 ≤1%/1000小時；電堆衰減速率 ≤2%/1000小時
- 開發(fā)子系統(tǒng)，使SOEC能與有間歇性的可再生能源相兼容。
2021年9月，康明斯從美國能源部獲得500萬美元撥款，用于SOEC電堆自動化組裝、生產(chǎn)的研發(fā)。該項目將利用康明斯現(xiàn)有成熟的熱噴涂工藝，自動化生產(chǎn)以金屬為基礎(chǔ)的固體氧化物電堆，從而減少昂貴的燒結(jié)工藝，并將所需密封件數(shù)量減少50%。該項目為期三年，總預(yù)算716萬美元，目標是開發(fā)60kW固體氧化物電堆自動化組裝的標準樣板，用于建立年產(chǎn)能為94MW的SOEC電解槽工廠。
2020年1月，歐盟啟動了總預(yù)算為975萬歐元的SOEC示范項目（其中FCH JU出資700萬），旨在五年內(nèi)將SOEC的技術(shù)成熟度由TRL7提升至TRL8，并制定了下面的KPI。
- 系統(tǒng)電能消耗（標準工作狀況）≤ 39kW/kgH2
- 電堆衰減速率 ≤ 1.2%/1000小時
- 可運營時間 ≥ 98 %
- 單位投資成本（日產(chǎn)1公斤氫氣產(chǎn)能）≤ 2,400歐元
- 年運行、維護成本（日產(chǎn)1公斤氫氣）≤ 120歐元
德國Sunfire是歐洲SOEC技術(shù)代表。這家總部位于薩克森州的公司成立于2010年，并在次年收購了一家SOFC公司做為其后來發(fā)展的技術(shù)核心。基于一種Power-to-Liquid（PtL）工藝，Sunfire于2020年10月在荷蘭建成了2.4MW SOEC的項目示范，每小時產(chǎn)氫60公斤用于合成燃料的生產(chǎn)，其系統(tǒng)電能效率（LHV H2 to AC）目標是85%。
Sunfire是德國H2Giga計劃的積極參與者。本月初該公司和15家由其領(lǐng)導(dǎo)的合作伙伴從德國Federal Ministry of Education and Research （BMBF） 獲得3,300萬歐元資助，用于SOEC電解槽系統(tǒng)優(yōu)化、制造工藝和批量生產(chǎn)。
Sunfire在2021年11月獲得了1.09億歐元的D輪融資（之前其已獲得超過1億歐元的融資），并計劃于2023年建成200MW 的SOEC電解槽產(chǎn)能。在并購方面，Sunfire在2021年1月收購了瑞士電解槽公司IHT，并于11月在奧地利的一個食品生產(chǎn)中心安裝了歐盟首臺工作壓力為30 bar的3.2MW堿性電解槽。該電解槽是歐盟Demo4Grid示范項目的核心部分，以驗證壓力型堿性電解槽的商業(yè)可行性，在實際市場情況下平衡電網(wǎng)，生產(chǎn)工業(yè)用綠氫。該項目為期5年，總預(yù)算780萬歐元，其中得到FCH JU的290萬歐元資助。
下圖為歐盟2010-2021期間對燃料電池技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)用、示范項目（比如熱電聯(lián)供、平衡電網(wǎng)、離網(wǎng)發(fā)電）的撥款，其中自2018年來每年用于PEMFC、SOFC和其它類技術(shù)的項目資金分別約為7,800萬、7,000萬和800萬歐元（藍、橙、綠色圖例）。主要參與公司、研究機構(gòu)包括：SolidPower, Sunfire，Ballard，Politecnico diTorino （Polytechnic University of Turin） 和VTTTechnical Research Centre of Finland。
5. 美國氫能研發(fā)體系
它山之石，可以攻玉。本節(jié)以電解水研發(fā)為例，介紹美國以技術(shù)成熟度為劃分、國家實驗室為主導(dǎo)的研發(fā)體系。下文中RD&D = Research, Development & Demonstration。
技術(shù)成熟度（Technology Readiness Level，RTL）評估方法在美國已被航天和國防部門應(yīng)用了很長時間，以系統(tǒng)的形式按上圖分為九級，確定研發(fā)產(chǎn)品的材料、工藝狀態(tài)和生產(chǎn)準備，并配置相應(yīng)的資源。該工具被證明非常有效可行，不僅可以評估不同研發(fā)階段的需求，而且可為最終產(chǎn)品提供必要的指導(dǎo)。
美國能源部（DOE）是美國聯(lián)邦政府負責(zé)能源政策制定，行業(yè)管理和相關(guān)技術(shù)研發(fā)等職責(zé)的行政部門，其下屬的17個國家實驗室中目前有14個從事和氫能相關(guān)的研發(fā)。DOE按技術(shù)成熟度將電解水研發(fā)課題分為三類，并組建相應(yīng)的聯(lián)盟（Consortium），從而形成從基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件到生產(chǎn)制造三級漸進，避免在示范推廣階段出現(xiàn)關(guān)鍵零部件薄弱的局面。另外，DOE提供資助并不僅限于美國本土單位，比如加拿大的巴拉德就前后以各種合同形式獲得DOE數(shù)千萬美元研發(fā)資金。
基礎(chǔ)材料是高端制造的基石。就氫能而言，美國能源部組建了由下面四個材料聯(lián)盟構(gòu)成的氫能材料研發(fā)Network，以加速早期應(yīng)用型材料在氫能領(lǐng)域的突破。
6. 回顧與展望
自1800年電解水在英國被發(fā)明以來，電解槽的發(fā)展已經(jīng)歷了兩個多世紀，不同時期的技術(shù)進步（尤其是材料的突破）極大地影響了其發(fā)展進程。1950年前電解水主要用于由低成本水電來生產(chǎn)合成氨，堿性電解槽是這一時期唯一的技術(shù)。1940年代，杜邦公司發(fā)明了一種兼具機械、熱穩(wěn)定性和良好質(zhì)子傳輸性能的材料，使PEM技術(shù)成為可能，并首先應(yīng)用于航空、軍事領(lǐng)域，在1980年代進入商業(yè)領(lǐng)域。2010年后，隨著光伏、風(fēng)電的推廣及電解槽成本下降使綠氫成為商業(yè)上可行的案例，并隨全球氣候行動共識進入各國能源政策議程。
未來五年，筆者預(yù)期PEM電解水將從小眾到主流，實現(xiàn)MW到GW級別的飛躍。隨著材料技術(shù)的不斷突破，SOEC有望迎來實質(zhì)性發(fā)展階段，AEM也開始逐步進入早期市場。另外，各國對新型制氫研發(fā)的投入將不斷增大，可能迎來顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，比如生物、陽光水分子裂解技術(shù)。
回顧歷史，太空技術(shù)的發(fā)展也極大地推進了燃料電池的研發(fā)前沿。20世紀90年代，美國宇航局（NASA）為其外太空計劃制定了單元化可再生燃料電池系統(tǒng)（Unitized Regenerative Fuel Cell System）的研發(fā)計劃，并在本世紀初由Proton OnSite開發(fā)了一套以PEM技術(shù)為基礎(chǔ)的可逆燃料電池。另外，Bloom Energy已商業(yè)化的ES-5000能源服務(wù)器也源于其為NASA火星項目而開發(fā)的固體氧化物技術(shù)。
篳路藍縷，以啟山林。蜚聲國際的大連化學(xué)物理研究所是我國燃料電池技術(shù)的發(fā)源地，其最初的研究源于1967年的研制航天氫氧燃料電池的任務(wù)。半個世紀后的今天，繼圓滿完成2021年火星探測任務(wù)，國家航天局計劃于2033年進行首次載人火星探測，探索在紅色的星球上建立永久定居點，使人類在蒼茫的宇宙中在地球和火星上相互守望。
結(jié)語：流水爭先，靠的是綿綿不絕；氫能發(fā)展，靠的是技術(shù)不斷突破。在這氫能和FCV交匯發(fā)展的歷史性時刻，了解國內(nèi)外最新動態(tài)、把握正確的技術(shù)方向更將成為企業(yè)規(guī)劃、決策的關(guān)鍵。行遠自邇，篤行不怠！
