原文標(biāo)題：《氫的“膜”法》
一場(chǎng)全球性的氫能軍備競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始。
隨著風(fēng)光電等可再生能源的快速發(fā)展和消納需求，加上地域沖突引發(fā)的全新能源安全需求，氫能成了全球各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的能源載體。
本文中，我們將直接切入氫氣生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備 —— 電解槽的具體技術(shù)路線，并在之后進(jìn)一步聚焦其中最重要的核心部件之一 —— 隔膜及其發(fā)展趨勢(shì)。
陳悶雷丨作者
李拓丨編輯
1、電解制氫四條路
現(xiàn)階段的制氫路線可大致分為三種：工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫。
工業(yè)副產(chǎn)氫，是指氫作為副產(chǎn)物，產(chǎn)生于其它工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。但顯而易見(jiàn)，以這種方式獲取的氫氣，不可能支持將之發(fā)展為一種能源載體，其產(chǎn)能完全不可控，也無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
化石燃料制氫，則是以煤或天然氣作為原料生產(chǎn)氫氣，工藝成熟且成本低，是目前最主要的制氫方式。該方式存在碳排放，不符合碳中和目標(biāo)，不能作為支撐氫能產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)工藝。
若輔以碳捕捉和收集技術(shù)，以零排放生產(chǎn)的氫，就是藍(lán)氫。該模式的問(wèn)題是企業(yè)需要承擔(dān)大量額外成本，不夠經(jīng)濟(jì)，且藍(lán)氫本質(zhì)上并未脫離化石燃料，沒(méi)有根本問(wèn)題。難怪連在排放問(wèn)題上相當(dāng)激進(jìn)的德國(guó)都會(huì)稱這一路線“令人困惑”。
電解水制氫在當(dāng)下氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占比低，但受到全球能源行業(yè)的廣泛關(guān)注。電解水制氫原料易得，生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生額外碳排放，契合雙碳目標(biāo)；氫能與當(dāng)前全球范圍內(nèi)風(fēng)電、光伏裝機(jī)量快速增長(zhǎng)的大背景相匹配，極為廉價(jià)的電力大幅降低制氫能源成本，消納綠電的能力也符合可再生能源產(chǎn)業(yè)需求，是能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下的理想能源載體。如今全球制氫產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，在交通領(lǐng)域外的儲(chǔ)能、工業(yè)生產(chǎn)（如煉鋼）等行業(yè)，也被許多國(guó)家納入發(fā)展規(guī)劃、設(shè)定了相應(yīng)的發(fā)展目標(biāo)，已經(jīng)成為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向之一。
數(shù)據(jù)顯示，截至 2022 年年底全球氫能領(lǐng)域的直接投資額近 2500 億美元，而據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到 2030 年該投資總額將升至 5000 億美元 [1]。
在國(guó)內(nèi)，有 2022 年 3 月出臺(tái)由國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035 年）》，制定了行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。而僅 2023 年 1~2 月，已公開(kāi)招標(biāo)電解槽的綠氫項(xiàng)目共 8 個(gè)，合計(jì)電解槽招標(biāo)量達(dá) 763.5MW，同比增長(zhǎng)近 3 倍，已經(jīng)超過(guò) 2022 年國(guó)內(nèi)電解槽出貨量（近 750MW）[2]。雖說(shuō)招標(biāo)量和出貨量不完全可比，但全年的出貨量增長(zhǎng)，也只是能有多快的問(wèn)題。
其它可再生能源制氫，如生物制氫、光分解制氫等新興技術(shù)路線，由于成熟度很低，距離商業(yè)化還比較遙遠(yuǎn)，不做展開(kāi)討論。
當(dāng)前主要電解制氫技術(shù)有 4 種，分別為：堿性電解制氫（alkaline water electrolysis，AWE）、陰離子交換膜電解（anion exchange membrane electrolysis，AEM）、質(zhì)子膜電解制氫（proton exchange membrane electrolysis，PEM），以及固體氧化物基電解制氫（solid oxide electrolysis cells，SOEC）[3][4][5]：
堿性電解制氫：AWE 以堿性水溶液為電解質(zhì)，主要采用 PPS 膜（聚苯硫醚）作為隔膜，在直流電的作用下，將水電解生成氫氣和氧氣，是當(dāng)前最成熟、商業(yè)化水平最高、應(yīng)用最為廣泛的制氫技術(shù)，也是當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)的首選技術(shù)路線。我們?cè)谇拔奶岬剑?023 年前兩個(gè)月的電解槽招標(biāo)量就已超過(guò) 2022 年的全年出貨量，這些電解槽就全部是堿性電解槽。AWE 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于成本友好，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，工藝成熟，單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能高，且國(guó)產(chǎn)化率高，國(guó)產(chǎn)設(shè)備已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。該路線的缺陷是設(shè)備體積大，需要更大場(chǎng)地；絕對(duì)能量效率明顯低于其他技術(shù)路線；由于反應(yīng)過(guò)程涉及堿性溶液，存在一定腐蝕性，需要維護(hù)設(shè)備。AWE 最突出的缺點(diǎn)是因部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)的特征導(dǎo)致設(shè)備響應(yīng)速度慢，無(wú)法快速啟停，制氫速度難以調(diào)節(jié)，不適應(yīng)波動(dòng)性強(qiáng)的電源，換言之就是難以配合風(fēng)電與光伏等可再生能源。
陰離子交換膜電解制氫：AEM 是針對(duì) AWE 缺陷開(kāi)發(fā)的制備工藝。設(shè)備采用陰離子交換膜作隔膜，以純水或弱堿液為電解質(zhì)，可實(shí)現(xiàn) OH-從陰極到陽(yáng)極的轉(zhuǎn)運(yùn)。該技術(shù)成本較低，且隔膜兼具良好的氣密性、穩(wěn)定性和低電阻性，能夠配合非貴金屬催化劑實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率和大電流密度，且可緩解 AWE 的串氣問(wèn)題，是 AWE 可能的改進(jìn)方案之一。其缺點(diǎn)是離子電導(dǎo)率低、高溫穩(wěn)定性差，需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的隔膜及適配的高性能催化劑。AEM 現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度在四條路線里最低，仍在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
質(zhì)子膜電解制氫：PEM 以高分子聚合物質(zhì)子交換膜替代了堿性電解槽中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，直接分解純水，被視為有望取代 AWE 的下一代制氫技術(shù)，已經(jīng)在一些國(guó)家實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)化。PEM 的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備體積小，效率高，制得氫氣純度高，且響應(yīng)速度快，能夠適應(yīng)可再生能源波動(dòng)大的特征，很適合參與電網(wǎng)負(fù)載調(diào)控。PEM 的缺陷在于設(shè)備壽命一般，對(duì)水質(zhì)要求更高，導(dǎo)致原料供應(yīng)難度升高，單設(shè)備產(chǎn)能遠(yuǎn)不及 AWE 路線；目前核心的質(zhì)子膜被國(guó)外企業(yè)掌控，國(guó)產(chǎn)化率低的風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視。PEM 最突出的問(wèn)題在于非常昂貴，催化劑大量使用鉑等貴金屬，設(shè)備成本甚至可達(dá) AWE 路線的 3~5 倍，不夠經(jīng)濟(jì)，過(guò)高的成本甚至導(dǎo)致部分國(guó)家為盡快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)而轉(zhuǎn)向 AWE 路線。
固體氧化物電解水制氫：SOEC 采用固態(tài)氧化物作電解質(zhì)，在 700~1000 攝氏度的高溫環(huán)境下，混有少量氫氣的水蒸氣從陰極進(jìn)入，在陰極發(fā)生電解反應(yīng)分解成 H2 和 O2-，O2-通過(guò)電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極失去電子生成 O2。SOEC 在電解器件設(shè)計(jì)和工作條件方面與前文制氫技術(shù)區(qū)別明顯，優(yōu)勢(shì)在于能量效率顯著高于 AWE 和 PEM，可達(dá) 90% 以上，但技術(shù)成熟度低，尚不具備商業(yè)化條件，目前處于初步示范階段。
市場(chǎng)方面，我國(guó)是全球最大的氫生產(chǎn)國(guó)，也是最大的電解槽設(shè)備制造國(guó)。當(dāng)然，現(xiàn)階段的氫并不作為能源載體存在，而是一種工業(yè)原料，廣泛用于煉油、合成氨、合成甲醇、煉鋼等。
國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)顯示，2021 年全球氫氣產(chǎn)能約為 9400 萬(wàn)噸；國(guó)內(nèi)產(chǎn)量約為 3300 萬(wàn)噸 [6][7]。不過(guò)全球氫氣供應(yīng)主要由化石燃料重整制得，會(huì)產(chǎn)生大量碳排放，并不清潔。這意味著結(jié)合雙碳目標(biāo)，即使不把氫氣視為一種燃料，電解水制氫也有替代機(jī)會(huì)與商業(yè)化場(chǎng)景，不必將視角局限在氫能行業(yè)。
根據(jù)《中國(guó)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)年度藍(lán)皮書(shū)（2022）》，2022 年全球電解槽市場(chǎng)出貨量達(dá)到 1GW ，中國(guó)電解槽總出貨量超過(guò) 800MW，同比增長(zhǎng) 129% 以上，全球占比超過(guò) 80%；堿性電解槽占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，年出貨量為 776MW；出貨量前三名的制氫設(shè)備廠商分別為：考克利爾競(jìng)立、中船派瑞氫能、隆基氫能。其中隆基氫能僅用一年時(shí)間就從前五名開(kāi)外上升至第三 [8][9]。
2、堿性電解槽：成熟的魅力
AWE 電解槽能得到市場(chǎng)的青睞不難理解。技術(shù)成熟、成本低廉從來(lái)都是工業(yè)生產(chǎn)最為喜歡的特質(zhì)。
作為一項(xiàng)歷史超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，AWE 路線如今的產(chǎn)業(yè)成熟與國(guó)產(chǎn)化水平都已經(jīng)很高，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)降本的空間雖然還在，但效果不會(huì)特別突出，這與設(shè)備成本居高不下的 PEM 路線十分不同。堿性電解槽當(dāng)前的核心降本邏輯已經(jīng)進(jìn)入追求規(guī)?；?yīng)攤薄成本的階段，其典型表現(xiàn)就是設(shè)備越來(lái)越大，單槽產(chǎn)能 1000Nm3/h 基本已成標(biāo)配，中船派瑞在 2022 年 12 月更是推出了單體產(chǎn)氫量 2000Nm3/h 的“巨無(wú)霸”[10]。
除了規(guī)?；?yīng)，AWE 的制備技術(shù)上也有提升空間。
首先就是針對(duì)核心部件 —— 隔膜的升級(jí)。目前，設(shè)備制造商正在由傳統(tǒng)的 PPS 膜轉(zhuǎn)向綜合性能更優(yōu)的復(fù)合隔膜。
一些復(fù)合隔膜專注于提高 AWE 的能量利用率。BloombergNEF 數(shù)據(jù)顯示，一些復(fù)合隔膜可將能量效率提高 4%，且國(guó)產(chǎn)膜的成本可能僅為歐洲的 30% 左右，可有效延續(xù)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格優(yōu)勢(shì) [11]。
另一些復(fù)合隔膜則試圖解決堿性電解槽的串氣問(wèn)題。AWE 在制氫過(guò)程中，隔膜兩邊會(huì)因產(chǎn)氣出現(xiàn)壓力不平衡的現(xiàn)象，若控制不當(dāng)氫氣會(huì)穿透隔膜與氧氣混合，極其危險(xiǎn)，因此在制氫過(guò)程中必須進(jìn)行壓力管理。實(shí)際上正是此種需求，造成堿性電解槽難以適應(yīng)波動(dòng)性電源。部分隔膜制造商的思路是，通過(guò)生產(chǎn)具有優(yōu)異氣體阻隔性的隔膜在物理上解決氫氣滲漏，從而給予電解槽適應(yīng)波動(dòng)性能源的能力。
本質(zhì)上，陰離子交換膜電解槽走的正是隔膜升級(jí)后的 AWE 路線。
堿性電解水制氫的高溫化也是一種可能的升級(jí)方向。簡(jiǎn)單概括，高溫、高壓條件下運(yùn)行，可有效提升電解槽的運(yùn)行效率。不過(guò)高溫、高濃度的電解液會(huì)造成堿腐蝕問(wèn)題，造成設(shè)備使用壽命下降，因此高溫化需搭配更耐腐蝕的材料；高壓則帶來(lái)了系統(tǒng)管理難度的增加。目前高溫化仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。
海水制氫的研究也不少見(jiàn)。沿海及海上的風(fēng)電、太陽(yáng)能資源比較豐富，且水資源幾乎無(wú)限，是相當(dāng)理想的可再生能源就地制氫場(chǎng)所。目前的問(wèn)題是，海水成分非常復(fù)雜，其中離子會(huì)與堿性溶液發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重影響制氫設(shè)備運(yùn)行。盡管在岸的凈化海水后制氫的模式不一定會(huì)產(chǎn)生過(guò)多額外成本，但離岸情況下完全不同。在海上搭建平臺(tái)的建設(shè)成本很高，安裝額外的淡化設(shè)備更會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用飆升，進(jìn)一步降低本就不太好的經(jīng)濟(jì)性。開(kāi)發(fā)能夠直接電解海水的設(shè)備，也是研究人員與企業(yè)的努力方向。
還有一種思路，是針對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立能夠適應(yīng)波動(dòng)性電源的模型，在不升級(jí)制氫設(shè)備的情況下通過(guò)升級(jí)運(yùn)行策略，避免反復(fù)啟停，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
更簡(jiǎn)單直接的，是為可再生能源接入儲(chǔ)能設(shè)備，直接在發(fā)電端平抑波動(dòng)，再接入制氫產(chǎn)線。優(yōu)點(diǎn)自然是可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的快速落地，缺陷自然是會(huì)抬高制氫成本。
可以想見(jiàn)，若上文所述，以及未被提及的技術(shù)升級(jí)能得到落地，則 AWE 制氫將大量接入極其廉價(jià)的能源，提升經(jīng)濟(jì)性，為氫能產(chǎn)業(yè)夯實(shí)推廣基礎(chǔ)。進(jìn)一步說(shuō)，我國(guó)目前在堿性電解槽路線的自主性與技術(shù)積累顯著優(yōu)于 PEM 路線。與其在不太擅長(zhǎng)的技術(shù)路線強(qiáng)行與海外企業(yè)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，不如深耕強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域，也是一種十分常見(jiàn)的競(jìng)爭(zhēng)思路。
3、質(zhì)子交換膜：國(guó)產(chǎn)化機(jī)會(huì)
PEM 制氫的核心部件，質(zhì)子交換膜的情況更加復(fù)雜。
主流的質(zhì)子交換膜是有機(jī)氟化工的末端產(chǎn)品，具備特異性的質(zhì)子傳遞功能，除制氫外，還是氫燃料電池，以及同樣火熱的液流電池的關(guān)鍵部件。
與 AWE 制氫相比，我國(guó)在 PEM 制氫路線和國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距。質(zhì)子膜的技術(shù)壁壘較高，目前我國(guó)相對(duì)依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化率偏低，存在一定的卡脖子風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化機(jī)會(huì)也更加充分。疊加更加廣闊的應(yīng)用空間、政策推動(dòng)的需求增長(zhǎng)，以及作為一種高技術(shù)含量產(chǎn)品的更高利潤(rùn)空間，可以認(rèn)為質(zhì)子膜將是一個(gè)有望快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。
本文以制氫設(shè)備為主視角，故下文不做額外說(shuō)明均默認(rèn)特指電解槽用質(zhì)子交換膜
從基本原理看，PEM 電解槽內(nèi)電化學(xué)過(guò)程為：純水通過(guò)進(jìn)水通道進(jìn)入催化層，在直流電源和催化劑的共同作用下，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣和氫離子，氫離子穿過(guò)質(zhì)子交換膜與陰極的電子結(jié)合產(chǎn)生氫氣。PEM 電解槽結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由雙極板、多孔擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層組成 [5]。
燃料電池則為 PEM 電解槽的逆反應(yīng)裝置，電解槽將水電解為氫和氧，燃料電池則是以氫氣和氧氣作為陽(yáng)極和陰極的反應(yīng)物質(zhì)，最終產(chǎn)出水和電能。
盡管電解槽與燃料電池都基于質(zhì)子膜工作，且結(jié)構(gòu)類似，但產(chǎn)品需求有差異，性能指標(biāo)不一致，且最終產(chǎn)品的材料體系也很不一樣，不能一概而論。
電解槽的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但工況更惡劣，要求材料具備更高的使用壽命和耐久度，使得電解槽用膜較電池用膜更厚；燃料電池則從造車需求出發(fā)，質(zhì)子膜需額外的改性處理進(jìn)行增強(qiáng)，如戈?duì)柟揪筒捎门蝮w聚四氟乙烯（ePTFE）作為增強(qiáng)材料，生產(chǎn)超薄質(zhì)子膜，應(yīng)用于豐田、現(xiàn)代和本田的燃料電池汽車 [13]。
這表明在評(píng)估產(chǎn)品時(shí)，也需要結(jié)合具體的下游應(yīng)用場(chǎng)景，而不能僅因?yàn)橐患移髽I(yè)生產(chǎn)質(zhì)子膜，就簡(jiǎn)單地認(rèn)為其具備覆蓋多個(gè)領(lǐng)域的能力，這其中仍然存在一定區(qū)別。
需要說(shuō)明，PEM 電解槽的設(shè)備成本是導(dǎo)致成本太高的主因，質(zhì)子交換膜也是電解槽的核心零件，但在制氫總成本中的占比并不高（約為 2.3%），國(guó)產(chǎn)化對(duì)降本作用并不突出。國(guó)產(chǎn)化的主要意義除了商業(yè)機(jī)會(huì)外，也是避免在關(guān)鍵環(huán)節(jié)遭到國(guó)外鉗制。
質(zhì)子交換膜產(chǎn)品主要以氟含量區(qū)分，可分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜四大類。其中以全氟磺酸質(zhì)子交換膜最為成熟，綜合性能最佳，商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛。PEM 電解槽所使用的正是全氟磺酸膜。
從產(chǎn)業(yè)鏈看，質(zhì)子交換膜上游是有機(jī)氟化工的單體材料，最主流的產(chǎn)品直接材料為全氟磺酸樹(shù)脂材料，向上延伸至有機(jī)氟化工中的四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚等單體材料，向上溯源可以追溯至螢石、氟化氫、制冷劑等原材料 [15]。
當(dāng)前，質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)工藝可分為熔融成膜法（熔融擠出法）和溶液成膜法兩大類，其中溶液成膜法是當(dāng)前得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用的工藝。溶液成膜法還可進(jìn)一步細(xì)分為溶液澆鑄法、溶液流延法、溶膠-凝膠法，以溶液流延法為主流 [15]。
受制于工藝上的不足，目前各個(gè)領(lǐng)域的質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化率均不高，處在追趕階段。
全球質(zhì)子交換膜產(chǎn)能基本上被國(guó)外壟斷。長(zhǎng)期以來(lái)全氟質(zhì)子交換膜生產(chǎn)主要集中在美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，主要公司包括美國(guó)杜邦、陶氏、戈?duì)枺毡拘裣踝?、旭化成等公司。質(zhì)子膜領(lǐng)域以杜邦的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力最為突出，技術(shù)積累最為雄厚；燃料電池膜電極則由戈?duì)柟局鲗?dǎo)。國(guó)內(nèi)方面，東岳集團(tuán)為行業(yè)龍頭，科潤(rùn)新材也有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的質(zhì)子膜產(chǎn)品。
質(zhì)子膜從原材料制備階段難度就比較大。全氟磺酸樹(shù)脂是一種制備工藝非常復(fù)雜的物質(zhì)，堪稱氟化工產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)巔峰，其生產(chǎn)過(guò)程涉及大量苛刻反應(yīng)條件、繁雜工藝、易爆危險(xiǎn)品。如何生產(chǎn)化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、電化學(xué)性能等指標(biāo)均滿足下游需求的膜材料，就已經(jīng)對(duì)企業(yè)提出很高標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)子膜成膜工藝更是有著很高難度，對(duì)設(shè)備、車間、產(chǎn)線管理均有嚴(yán)格要求。此外，受先發(fā)優(yōu)勢(shì)影響，日美等國(guó)企業(yè)在質(zhì)子膜領(lǐng)域掌握大量關(guān)鍵專利，如何構(gòu)建自身專業(yè)體系，繞過(guò)專業(yè)壁壘，也是國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨的難題。
為追趕國(guó)際先進(jìn)水平，本土產(chǎn)業(yè)的人才、技術(shù)積累以及充足的資本支出必不可少，同時(shí)國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)也將給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來(lái)很大壓力。我國(guó)制氫設(shè)備在質(zhì)子交換膜上遇到的困境與光刻膠行業(yè)非常類似，源于我國(guó)在特種化學(xué)制品領(lǐng)域的后發(fā)劣勢(shì)，彌補(bǔ)這種劣勢(shì)需要時(shí)間。
從市占率看，在燃料電池質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化率上，GGII 數(shù)據(jù)顯示，2020 年國(guó)產(chǎn)膜電極質(zhì)子交換膜需求量為 44000m2，其中國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的市場(chǎng)占有率為 7.5%，到 2021 上升至 11.61% [17]。
PEM 電解水制氫質(zhì)子交換膜市場(chǎng)規(guī)模較小，份額被科慕（原美國(guó)杜邦）Nafion?系列膜占據(jù)，2021 年市場(chǎng)份額高達(dá) 76%，國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的市場(chǎng)占有率為 21.45%。GGII 調(diào)研顯示，東岳集團(tuán)子公司東岳未來(lái)氫能已經(jīng)完成部分客戶前期應(yīng)用驗(yàn)證，2021 年開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化替代，市場(chǎng)占有率約為 15% [17]。
2021 年，中國(guó)市場(chǎng)液流電池質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化率約為 23.15%，主要生產(chǎn)企業(yè)為科潤(rùn)新材料和東岳未來(lái)氫能，其余國(guó)內(nèi)企業(yè)液流電池質(zhì)子交換膜均處于送樣驗(yàn)證階段。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍以科慕的全氟磺酸樹(shù)脂膜為主，市占率達(dá) 75% [17]。
最后，盡管在本節(jié)一開(kāi)始我們提到質(zhì)子交換膜具備很強(qiáng)的成長(zhǎng)性，但這只是描述其增長(zhǎng)潛力，絕對(duì)的市場(chǎng)規(guī)模暫時(shí)還不是很大，未來(lái)的增長(zhǎng)面臨較多不確定性。
理論上氫能汽車應(yīng)當(dāng)是質(zhì)子交換膜用量最大的行業(yè)。根據(jù)中信證券測(cè)算，在 2030 年燃料電池汽車達(dá)到 100 萬(wàn)輛的情況下，對(duì)應(yīng)的質(zhì)子交換膜市場(chǎng)空間可達(dá) 132 億元 [15]。不過(guò)我們還是要考慮，燃料電池車增長(zhǎng)前景并不是非常清晰，至少目前在競(jìng)爭(zhēng)力上遠(yuǎn)不及鋰電池電動(dòng)車，僅在商用車領(lǐng)域有少量應(yīng)用，且這種應(yīng)用也多出于示范需要，不一定對(duì)電動(dòng)商用車有決定性優(yōu)勢(shì)。
PEM 電解槽對(duì)應(yīng)的質(zhì)子膜市場(chǎng)比較有限。機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到 2025 年的電解槽市場(chǎng)規(guī)模為 350 億，以此測(cè)算，在成本結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的變化，且 PEM 路線完全占據(jù)市場(chǎng)的情況下，對(duì)應(yīng)的質(zhì)子膜市場(chǎng)約為 17.5 億元，實(shí)際情況只可能遠(yuǎn)小于這一數(shù)字 [18]。此外，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)技術(shù)的先進(jìn)與否向來(lái)沒(méi)有多大興趣，如果 PEM 始終無(wú)法在成本層面與 AWE 路線競(jìng)爭(zhēng)，那對(duì)整個(gè)制氫業(yè)而言，它都不會(huì)是最優(yōu)路線，市場(chǎng)份額也會(huì)更小。
全釩液流電池是較為火熱的液流電池技術(shù)路線之一，主要作為一種有潛力的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)受到市場(chǎng)關(guān)注，2022 年 3 月發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》就將百兆瓦級(jí)液流電池技術(shù)納入新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點(diǎn)方向之一 [19]。質(zhì)子交換膜，或稱離子交換膜（具體叫法與應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)），應(yīng)用于電堆，起阻隔不同價(jià)態(tài)的釩離子以及讓氫離子通過(guò)的作用。截至 2022 年 10 月底，包括備案、開(kāi)工、在建、中標(biāo)、招標(biāo)等的全釩液流電池項(xiàng)目規(guī)模合計(jì)已達(dá) 1.3GW / 5.4GWh。其中，已經(jīng)開(kāi)工、中標(biāo)和在建的項(xiàng)目合計(jì)超過(guò) 2.0GWh，預(yù)計(jì)將于 2023 年逐步落地 [20]。
不過(guò)當(dāng)前的儲(chǔ)能路線眾多，尚無(wú)一個(gè)確定的勝出者，且不同儲(chǔ)能場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)的技術(shù)選擇也可能不同，全釩液流電池的商業(yè)化仍存在較大不確定性。
除了上述應(yīng)用場(chǎng)景之外，質(zhì)子交換膜還有一個(gè)知名度不高的下游，氯堿行業(yè)。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)，應(yīng)當(dāng)是此種有機(jī)氟化膜作為離子膜，在氯堿行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。離子膜法是目前氯堿行業(yè) —— 包括我國(guó)在內(nèi)，最主流的生產(chǎn)工藝，具備耗電低、液堿濃度高、生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，使用率接近 100% [15]。全氟離子交換膜為核心材料，由全氟磺酸膜、全氟羧酸膜與聚四氟乙烯增強(qiáng)網(wǎng)布復(fù)合而成，同樣依賴進(jìn)口。由于氯堿是非常典型的高耗能行業(yè)，擴(kuò)產(chǎn)極其困難，是標(biāo)準(zhǔn)的存量市場(chǎng)，需求相對(duì)固定，機(jī)構(gòu)預(yù)估即使完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，對(duì)應(yīng)的規(guī)模僅為約 4.5 億，未獲廣泛關(guān)注，也在情理之中 [21]。
4、例行降溫
在文章的最后，我們還是要例行潑出一盆冷水。
氫能當(dāng)然是好的，但它也很不成熟。盡管當(dāng)下的能源產(chǎn)業(yè)有少量應(yīng)用，作為一個(gè)行業(yè)，氫能遠(yuǎn)遠(yuǎn)撐不起它所描繪的愿景。
氫能的不成熟的制約因素，不限于制氫環(huán)節(jié)，其它如儲(chǔ)運(yùn)，加注，具體商業(yè)化落地，配套設(shè)施建設(shè)，都存在這樣或那樣的問(wèn)題。
但我們看到的，卻往往是部分企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、乃至媒體，都將大量注意力、大量資本最支出傾注在終端的燃料電池，卻有意無(wú)意忽視了行業(yè)的系統(tǒng)性發(fā)展。這其實(shí)也不難理解，畢竟相較于其它環(huán)節(jié)，燃料電池最簡(jiǎn)單，路徑也有跡可循 —— 摸著鋰電過(guò)河，而且企圖“投出下一個(gè)寧德時(shí)代”的人恐怕不在少數(shù)。
然而，很難想象，沒(méi)有遍布全國(guó)的電網(wǎng)以及成熟的電池主材制備工藝的情況下，氫能有什么辦法能憑空造出寧德時(shí)代級(jí)別的龍頭。在缺乏成熟的產(chǎn)業(yè)鏈與成體系的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)前，對(duì)著某一個(gè)環(huán)節(jié)試圖力大磚飛也不太現(xiàn)實(shí)。何況目前入局氫能的玩家中，有多少只是出于跟風(fēng)、蹭熱點(diǎn)、說(shuō)服投資人，甚至是為了騙補(bǔ)而進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)中的低技術(shù)門(mén)檻環(huán)節(jié)，想必讀者有自己的判斷。
更進(jìn)一步，氫能也只是眾多很有希望的路線之一。雖然它具有如清潔、熱值高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但目前全球的能源市場(chǎng)轉(zhuǎn)型浪潮正值八仙過(guò)海，未來(lái)的主流技術(shù)路線有很大不確定性，暫時(shí)沒(méi)有理由認(rèn)為氫能一定可以勝出，成為未來(lái)市場(chǎng)的主宰力量。無(wú)論餅畫(huà)得有多大，至少現(xiàn)階段也只是畫(huà)的。
氫能當(dāng)然有其積極意義，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展不太可能畢其功于一役。希望行業(yè)的參與者、推動(dòng)者能更理智的看待發(fā)展的客觀規(guī)律。急功近利和短視在很多時(shí)候是同義詞，而頭腦一熱最可能迎來(lái)的大概也只是市場(chǎng)的老拳。
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[10] 黃澤龍，趙麗妹，付毅飛：全球首臺(tái)套單體產(chǎn)氫量 2000Nm3/h 水電解制氫裝備成功下線.科技日?qǐng)?bào). 2022.12.16. 中國(guó)科技網(wǎng). http://stdaily.com/ index / kejixinwen / 202212 / c09b1995021f43219eb8d14dbd1063b9.shtml
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[18] 華鑫證券：氫能行業(yè)星辰大海，電解水制氫如日方升. 2023.3.13
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[20] 北極星電池網(wǎng)：從小透明到儲(chǔ)能新貴：全釩液流電池產(chǎn)業(yè)或迎春天.2023.3.16 https://news.bjx.com.cn/ html / 20230316/1295163.shtml
[21] 并購(gòu)優(yōu)塾：質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤：東岳集團(tuán) VS 泛亞微透 VS 東材科技，產(chǎn)品？技術(shù)？產(chǎn)能？. 2022.8.3
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：陳悶雷
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