自堿液制氫（ALK）技術(shù)趨于成熟之后，質(zhì)子交換膜電解（PEM）制氫的新風(fēng)正吹進(jìn)綠氫領(lǐng)域，被認(rèn)為是下個階段最有可能率先完成產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路線。

山東賽克賽斯氫能源有限公司（以下簡稱“賽克賽斯氫能”）是這股新風(fēng)的引領(lǐng)者。公司是國內(nèi)首家從事PEM純水電解制氫裝備的國家高新技術(shù)企業(yè)之一，至今已有30余年歷史。作為國家專精特新“小巨人”企業(yè)，賽克賽斯氫能自主研發(fā)多項核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，打破了海外在質(zhì)子膜、膜電極、電解堆等關(guān)鍵零部件和制造工藝的技術(shù)壟斷，還參與起草PEM制氫相關(guān)的多項國家標(biāo)準(zhǔn)，不斷推動電解水制氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

賽克賽斯氫能副總經(jīng)理丁孝濤近日接受第一財經(jīng)專訪時表示，目前PEM技術(shù)在綠氫市場中的占比大約只有5%，而綠氫在國內(nèi)制氫領(lǐng)域的占比則不足1%，是“小眾中的小眾”，但市場趨勢正在發(fā)生變化，越來越多的企業(yè)將關(guān)注點轉(zhuǎn)移到PEM制氫技術(shù)上，電解槽中標(biāo)項目中PEM占比正在提高，下游市場對PEM制氫也在逐步建立認(rèn)知。

錨定PEM技術(shù)路線，從實驗室走向能源級產(chǎn)品

在接受第一財經(jīng)專訪時，丁孝濤對公司的研發(fā)之路進(jìn)行了復(fù)盤。他表示，PEM純水電解制氫技術(shù)是綠氫制備領(lǐng)域的新興路線。賽克賽斯氫能最初就錨定在了技術(shù)門檻較高、玩家稀少的PEM技術(shù)賽道，這一點與許多從堿液制氫向PEM制氫延展的企業(yè)有所不同。

2007年，濟南市科技局將PEM制氫項目轉(zhuǎn)交給賽克賽斯集團。初期，公司主要生產(chǎn)應(yīng)用于實驗室分析儀器的氫氣發(fā)生器，對產(chǎn)氫效率要求不高。2011年，公司與中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所建立了合作關(guān)系，為氫燃料電池檢測線供氫，成功交付了5Nm3/h的產(chǎn)氫設(shè)備，獲得了初步認(rèn)可。

2013年，賽克賽斯氫能研發(fā)團隊在熱壓轉(zhuǎn)印法的研究方面取得關(guān)鍵突破，成功開發(fā)出了新型膜電極制備工藝。這一進(jìn)展不僅讓賽克賽斯氫能的電解槽走出實驗室范疇，進(jìn)入了國內(nèi)電廠的供應(yīng)商名單，也讓公司打破了國際PEM電解槽龍頭美國Proton公司的市場壟斷。

由于具備Proton產(chǎn)品相似的核心技術(shù)和更智能化的應(yīng)用功能，賽克賽斯氫能的電解槽進(jìn)入市場后迅速獲得認(rèn)可。與此同時，公司也通過設(shè)備制造和維修積累了更多經(jīng)驗，逐漸具備了生產(chǎn)2-20Nm3/h電解槽產(chǎn)品的能力。

電廠和實驗室對電解槽的需求在10Nm3/h左右，存在一定天花板。隨著電解槽的產(chǎn)氫效率不斷打破天花板，賽克賽斯氫能開始嘗試開發(fā)更多的氫氣應(yīng)用領(lǐng)域，如半導(dǎo)體封裝、芯片制造、醫(yī)藥中間體等，以匹配快速增長的單槽產(chǎn)氫能力。

國內(nèi)新能源行業(yè)快速發(fā)展背景下，賽克賽斯氫能的下一個關(guān)鍵節(jié)點很快到來。2017年，一家國內(nèi)知名氫能上市公司找到賽克賽斯氫能尋求合作，要求提供具備大規(guī)模產(chǎn)氫能力的電解設(shè)備，為氫能大巴車和加氫站穩(wěn)定供氫。其中單個加氫站的供氫需求就達(dá)到200Nm3/h，超出了公司當(dāng)時的技術(shù)能力。

賽克賽斯氫能研發(fā)團隊首次意識到，未來氫氣的應(yīng)用將不僅局限于實驗室場景，而有望向新一代清潔能源領(lǐng)域拓展，這極大地打開了制氫市場的想象力。

隨即，公司開始著手研發(fā)大型電解槽，向能源級產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，以實現(xiàn)更高的產(chǎn)氫效率。對此，公司最初的設(shè)計思路是將多個小電解槽串聯(lián)使用，但在實踐中這種工藝路線很快暴露出諸多問題，包括管理控制難度高、工藝有局限性等，限制了產(chǎn)氫能力的上限。

認(rèn)識到這些問題后，公司迅速轉(zhuǎn)向以增大單槽產(chǎn)氫量作為設(shè)計目標(biāo)，并在2018年成功研發(fā)出單槽50Nm3/h的產(chǎn)品，使用的膜電極有效面積則達(dá)到5000平方厘米。盡管當(dāng)時尚未找到相匹配的大規(guī)模應(yīng)用場景，但憑借與中國科學(xué)院長春應(yīng)化所的緊密合作，公司參與了科技部的“十三五”重大項目。該項目聚焦于太陽光催化制氫技術(shù)，要求在中期和末期分別提供130Nm3/h和260Nm3/h產(chǎn)氫量的PEM電解制氫系統(tǒng)。公司最終成功完成了目標(biāo)，成功落地國內(nèi)首個單槽MW級PEM電解槽。

氫能行業(yè)在2020年迎來政策東風(fēng)，“雙碳”目標(biāo)提出后，氫能的戰(zhàn)略能源地位得到正式明確，全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入前所未有的快速發(fā)展期。

賽克賽斯氫能加快研發(fā)節(jié)奏，不斷開發(fā)出體積更大、產(chǎn)氫效率更高的PEM電解槽，以適應(yīng)未來能源用氫的需求。截至目前，公司在研的最大膜電極有效面積已達(dá)15000平方厘米，能實現(xiàn)單槽1000Nm3/h的產(chǎn)氫量，是全世界有效面積的最大、產(chǎn)氫效率最高的產(chǎn)品之一。

PEM制氫技術(shù)優(yōu)勢漸顯

作為國內(nèi)PEM龍頭，賽克賽斯氫能不僅在催化劑和膜電極制備方面具有優(yōu)勢，還在長期的實際測試中驗證了產(chǎn)品的可靠性。公司能夠根據(jù)應(yīng)用需求定制不同型號的電解槽，從小型到大型全覆蓋，性能指標(biāo)出色。公司在經(jīng)歷了多年的技術(shù)積累階段后實現(xiàn)了產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，為PEM電解制氫走向更廣闊的工業(yè)和能源領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

事實上，隨著研發(fā)摸索不斷產(chǎn)生成果，PEM技術(shù)相較于堿液制氫技術(shù)的優(yōu)勢逐漸開始顯現(xiàn)，主要包括三個方面：具備全生命周期經(jīng)濟性、與可再生能源耦合更好、氫氣純度高延長燃料電池壽命。

丁孝濤解釋稱，盡管PEM技術(shù)的初始設(shè)備投資成本大約是堿液制氫的3-5倍，但由于它的后期維護成本低、使用壽命長，全生命周期運行成本可以與堿液制氫達(dá)到持平。

在下一步大規(guī)模綠氫氨醇制取中，使用風(fēng)光等可再生能源作為綠電來源已成為清潔能源的關(guān)鍵，而綠電的間歇性和波動性對電解設(shè)備提出了更高要求。相比堿液制氫設(shè)備啟動響應(yīng)慢、在波動電力下易氫氧互串等問題，PEM能夠更好地與風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠電耦合。這一方面實現(xiàn)了能源生產(chǎn)零碳化，另一方面能夠更好地享受廉價綠電帶來的降本優(yōu)勢。

賽克賽斯氫能通過研究還發(fā)現(xiàn)，PEM設(shè)備產(chǎn)氫的純度高，雜質(zhì)種類少，不含一氧化碳、硫化物等會對燃料電池造成不可逆損害的雜質(zhì)，可顯著延長氫燃料電池的使用壽命，是氫燃料電池或其他高品質(zhì)用氫場景的最佳供氫方式。

丁孝濤稱，在實驗室條件下，使用PEM技術(shù)生產(chǎn)的氫氣，氫燃料電池的運行壽命可達(dá)8000-10000小時，是使用國標(biāo)氫氣所能達(dá)到壽命的兩倍多。這一發(fā)現(xiàn)堅定了公司對PEM技術(shù)路線的信心。

產(chǎn)業(yè)化之路初啟，PEM未來三大研發(fā)方向

2023年，在《‌氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》等政策利好推動下，氫能產(chǎn)業(yè)鏈繼續(xù)快速發(fā)展。其中，堿液制氫領(lǐng)域熱度顯著升高。根據(jù)索比氫能網(wǎng)統(tǒng)計，2023年有25個電解槽訂單確認(rèn)中標(biāo)信息，總中標(biāo)量達(dá)1453MW。

PEM制氫也逐步進(jìn)入公眾視野。目前歐美已出現(xiàn)多個10MW及以上級別的PEM電解水制氫項目，行業(yè)主要參與者有Proton Onsite、Plug Power、ITM Power、康明斯、西門子、東芝等，其中多家企業(yè)2023年產(chǎn)能達(dá)1GW以上。

國內(nèi)布局PEM技術(shù)的企業(yè)也在增多，除了賽克賽斯氫能，還有長春綠動、中電豐業(yè)、陽光氫能等，電解槽規(guī)模集中于50-200Nm3/h，技術(shù)參數(shù)正逐步接近海外領(lǐng)先企業(yè)。

2023年，國內(nèi)規(guī)模較大的PEM制氫項目包括國電投大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項目（50MW）和金麒麟風(fēng)力制氫項目（6MW）等，設(shè)備供應(yīng)商分別為長春綠動和賽克賽斯，其他項目規(guī)模較小，均在1-2.5MW區(qū)間。總體來看，PEM制氫還處于發(fā)展早期，市場規(guī)模較小，行業(yè)集中度不高。

據(jù)悉，PEM電解槽的市場化推廣面臨的挑戰(zhàn)，主要包括設(shè)備成本較高和當(dāng)前綠氫消納場景不明朗。一方面，制氫行業(yè)正涌入新參與者，面對相對昂貴的PEM設(shè)備價格，企業(yè)在權(quán)衡后，出于保守考慮大多選擇堿液制氫路線；另一方面，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈仍處于早期發(fā)展階段，氫制備的電力成本和氫儲運成本仍然偏高，大規(guī)模產(chǎn)氫后如果沒有用量和價格合適的下游需求進(jìn)行消納，企業(yè)將面臨虧損。

丁孝濤對下一階段PEM制氫的市場推廣持保守樂觀態(tài)度。他預(yù)計，2026年P(guān)EM制氫的市場占比有望超過20%，2030年綠氫的成本能與灰氫持平。同時他也強調(diào)，這一目標(biāo)的實現(xiàn)需要全產(chǎn)業(yè)鏈的共同推動，尤其是電力成本的下降。

關(guān)于未來PEM電解槽的研發(fā)方向，丁孝濤認(rèn)為主要有三點。

第一是降低催化劑成本。目前PEM電解槽成本主要集中在催化劑上，需要鉑、銥等貴金屬。公司正與科研單位合作，致力于提高貴金屬催化劑的利用率，以減少載量。通過這種方式，未來兩三年內(nèi)PEM電解槽成本有望實現(xiàn)30%-50%的下降。

第二是提高電流密度。通過提升膜電極的電流密度，可以在不改變膜電極面積和電解槽層數(shù)的情況下，提高產(chǎn)氫量，實現(xiàn)降本。這同樣需要在膜電極和催化劑的研發(fā)上取得突破。

第三是適當(dāng)增加膜電極層數(shù)。大型化是當(dāng)前PEM電解槽的發(fā)展趨勢，然而需要注意的是，雖然增大膜電極的面積可以提高產(chǎn)量，但設(shè)備成本也會隨之增加，因此最合適的方式是適當(dāng)增加膜電極層數(shù)，找到膜電極層數(shù)和膜電極面積之間的最優(yōu)匹配，以實現(xiàn)單位設(shè)備成本下的最高產(chǎn)氫量。

“行業(yè)在等待市場成熟，PEM制氫技術(shù)和綠氫產(chǎn)業(yè)的未來將充滿機遇。”丁孝濤稱。