全面分析歐美四大電解水技術(shù)及發(fā)展趨勢

全?分析歐美四?電解?技術(shù)及發(fā)展趨勢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?國家能源體系。與此同時(shí)燃料電池和FCV技術(shù)亦?趨成熟，氫?的來源和成本已成為制約?業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之?，電解槽也隨之成為產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)。本?梳理了堿性（ALK）、陰離?交換膜（AEM）、質(zhì)?交換膜（PEM）和固體氧化物（SOEC）四?電解?技術(shù)及歐美發(fā)展動(dòng)態(tài)，供業(yè)界??參考。?、導(dǎo)?從材料、性能、效率和成本，上圖中四種電解?技術(shù)都有??的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。相?堿性電解槽，在特定應(yīng)場景（如車規(guī)級(jí)氫能、波動(dòng)性可再?能源）中PEM的優(yōu)勢?漸明顯，國際上許多新建項(xiàng)?已開始選?PEM電解槽，其市場滲透率預(yù)期會(huì)逐步擴(kuò)?。SOEC和AEM作為新興技術(shù)都有巨?潛?，也是歐美研發(fā)的重點(diǎn)，但前者在規(guī)模量產(chǎn)前在耐久性、制造?藝上還有待提升，后者?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(shí)的劃分。歐盟2020年時(shí)對(duì)其SOEC的評(píng)估為TRL7，?于美國能源部的TRL5-6。美國和歐盟均將PEM和SOEC電解?作為近期研發(fā)重點(diǎn)，?物質(zhì)（Biomass）制氫作為中期?標(biāo)。另外，美國能源部將直接利?太陽的光和熱（光電催化）制氫作為長期研發(fā)戰(zhàn)略，其三?類制氫路線則具體反映在下圖?中各相關(guān)技術(shù)的成熟度上。?、質(zhì)?交換膜電解槽質(zhì)?交換膜（PEM）電解槽使?較薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先進(jìn)的電極結(jié)構(gòu)，低阻、?效。PFSA膜化學(xué)、機(jī)械性都很穩(wěn)定，且耐壓，因此PEM電池可在最?達(dá)70bar下運(yùn)?，?氧?側(cè)則處于常壓。PEM電解槽的缺點(diǎn)是需在?酸性、?電勢和不利的氧化環(huán)境中?作，因此需要?穩(wěn)定性的材料。價(jià)格昂貴的鈦基材料、貴?屬催化劑和保護(hù)涂層是必要的，這不僅為電池元件提供了?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(jì)，但對(duì)?的雜質(zhì)敏感（如鐵、銅、鉻、鈉），并會(huì)受到煅燒的影響。上表為歐美主要PEM電解?系統(tǒng)供應(yīng)商，近年都有?的融資、并購和整合。?如，英國ITM繼2019年5,880萬英鎊融資（包括林德的3,800萬）后，在2020年完成了1.72億英鎊的融資（包括意?利Snam的3,000萬），并計(jì)劃在2023和2024年分別建成?座年產(chǎn)能為1.5GW和2.5GW的??。在歐洲?陸，2020年10?法國Gaztransport&Technigaz(GTT集團(tuán)）以約800萬歐元收購了AREVAHH2Gen，并將其更名為Elogen。作為全球頂尖的液化天然?（LNG）膜式專利技術(shù)商，GTT是薄膜型LNG運(yùn)輸船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的專利擁有者，其各薄膜型技術(shù)被全球船東及船?所?泛使?。這?值得?提的是，在下?個(gè)戰(zhàn)略制?點(diǎn)薄膜型液氫（LH2）儲(chǔ)運(yùn)上，中太海事技術(shù)（上海）有限公司于2021年9?在?錫建成了全球?座薄膜型液氫儲(chǔ)運(yùn)模擬艙，實(shí)現(xiàn)了液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)和?程化應(yīng)?的重?突破，為未來相關(guān)技術(shù)投?船?打下了良好基礎(chǔ)，進(jìn)?步鞏固了中國在氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國際賽道的領(lǐng)跑位置。在美國，PlugPower在2020年以5,800萬美元收購了GinerELX，并在去年以9,800萬美元收購了FramesGroup，從?擁有了前者的PEM電解?實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和后者的設(shè)備、?程能?。另外，Plug在2020年以6,500萬美元收購了民?液氫?產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)公司UnitedHydrogen。繼燃料電池叉車后，Plug計(jì)劃將PEM電解?發(fā)展成其另?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GeneralHydrogen（該公司由GeoffreyBallard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；?前Plug在全美已部署了四萬多臺(tái)叉車。作為美國電解?技術(shù)的代表，GinerELX及其原母公司GinerLabs的多個(gè)PEM和AEM研發(fā)項(xiàng)?得到美國能源部的資助。?前，美國PEM電解?材料的研發(fā)重點(diǎn)是機(jī)理研究和提升材料性能，?AEM則是材料開發(fā)和機(jī)理研究，并成?了下圖中以?學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室為主導(dǎo)的研發(fā)專項(xiàng)。三、陰離?交換膜電解槽作為最新的電解?技術(shù)，陰離?交換膜（AEM）電解槽的潛?在于將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、?效相結(jié)合。該技術(shù)能使??貴?屬催化劑、?鈦部件，并和PEM?樣能在壓差下運(yùn)?，但是?前AEM膜存在化學(xué)、機(jī)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(dòng)?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?持性電解質(zhì)（如KOH、NaHCO3）來實(shí)現(xiàn)，但這?會(huì)降低耐久性。在PEM中，OH-離?的傳導(dǎo)速度要?H+質(zhì)?慢三倍，因此AEM將?臨更?的挑戰(zhàn)，需要研制更薄或具有更?電荷密度的膜，同時(shí)對(duì)BOP輔助系統(tǒng)也提出了較?的要求。根據(jù)是否需要堿性電解質(zhì)，?前國際上AEM的研發(fā)?向分為堿性電解質(zhì)系統(tǒng)和純?系統(tǒng)（即?堿液，便于系統(tǒng)維護(hù)）。前者的研發(fā)重點(diǎn)是提升電流密度和耐久性；后者是提升膜的穩(wěn)定性，并使?先進(jìn)的膜和?（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?PEM低許多，故通過降低?室電壓來提升AEM的電能效率也是?個(gè)研發(fā)策略。?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?利的ENAPTER，其實(shí)現(xiàn)了?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(duì)其問卷調(diào)研信息。?前ENAPTER的研發(fā)重點(diǎn)是在純?系統(tǒng)下提升膜的傳導(dǎo)性和耐久性，以期達(dá)到電流密度>1A/cm2（?室?作電壓1.8V）和衰減速率<15mV/1000?時(shí)。在膜的研發(fā)??，加拿?IonomrInnovationsInc.已取得?定的進(jìn)展，其Aemion+?膜正在解決AEM聚合物結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定分解機(jī)制的根源。作為現(xiàn)代PEM燃料電池技術(shù)的發(fā)源地，加拿?擁有Ballard,Hydrogenics,CarbonEngineering,Westport等?批前瞻性技術(shù)公司，這得益于加拿?政府對(duì)突破性創(chuàng)新的?度重視。1983年，當(dāng)時(shí)還叫BallardResearchInc.的公司從加拿?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?時(shí)任駐華?使和麥肯錫前全球總裁DominicBarton在FCVC2021上參觀該公司展位和加拿?展區(qū)。四、固體氧化物電解槽固體氧化物（SOEC）電解槽在?溫（700-850℃）下運(yùn)?，動(dòng)?學(xué)上的優(yōu)勢使其可使?廉價(jià)的鎳電極。如利??業(yè)?產(chǎn)中?品質(zhì)的余熱（?如能量輸?為75%電能+25%?蒸?中的熱能），SOEC的系統(tǒng)效率（LHVH2toAC）近期內(nèi)有望達(dá)到達(dá)85%，并在10年內(nèi)達(dá)到歐盟的2030?標(biāo)90%。SOEC電解槽進(jìn)料為?蒸?，若添加?氧化碳后，則可?成合成?（Syngas，氫?和?氧化碳的混合物），再進(jìn)?步?產(chǎn)合成燃料（e-fuels，如柴油、航空燃油）。因此SOEC技術(shù)有望被?泛應(yīng)?于?氧化碳回收、燃料?產(chǎn)和化學(xué)合成品，這是歐盟近年來的研發(fā)重點(diǎn)。SOEC的另?優(yōu)勢是可逆性，即可逆燃料電池?于可再?能源的存儲(chǔ)，這也是歐美的?個(gè)長期重點(diǎn)研發(fā)課題。耐久性是SOEC?前的?要問題，熱化學(xué)循環(huán)，特別是系統(tǒng)停、啟時(shí)，都會(huì)加速?化，降低使?壽命。?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?氧化鋯，其分?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?前歐美研發(fā)的重點(diǎn)。美國SOEC代表性公司包括FuelCellEnergy和康明斯。在2016-2020間，F(xiàn)uelCellEnergy負(fù)責(zé)了?個(gè)美國能源部撥款為300萬美元的SOEC研發(fā)項(xiàng)?，并完成了下?的指標(biāo)。-電堆效率（LHVH2toAC）>95%-系統(tǒng)效率（LHVH2toAC）>90%-系統(tǒng)效率（LHV,以電能+熱能計(jì)）>75%-單電池衰減速率≤1%/1000?時(shí)；電堆衰減速率≤2%/1000?時(shí)-開發(fā)?系統(tǒng)，使SOEC能與有間歇性的可再?能源相兼容。2021年9?，康明斯從美國能源部獲得500萬美元撥款，?于SOEC電堆?動(dòng)化組裝、?產(chǎn)的研發(fā)。該項(xiàng)?將利?康明斯現(xiàn)有成熟的熱噴涂?藝，?動(dòng)化?產(chǎn)以?屬為基礎(chǔ)的固體氧化物電堆，從?減少昂貴的燒結(jié)?藝，并將所需密封件數(shù)量減少50%。該項(xiàng)?為期三年，總預(yù)算716萬美元，?標(biāo)是開發(fā)60kW固體氧化物電堆?動(dòng)化組裝的標(biāo)準(zhǔn)樣板，?于建?年產(chǎn)能為94MW的SOEC電解槽??。2020年1?，歐盟啟動(dòng)了總預(yù)算為975萬歐元的SOEC?范項(xiàng)?（其中FCHJU出資700萬），旨在五年內(nèi)將SOEC的技術(shù)成熟度由TRL7提升?TRL8，并制定了下?的KPI。-系統(tǒng)電能消耗（標(biāo)準(zhǔn)?作狀況）≤39kW/kgH2-電堆衰減速率≤1.2%/1000?時(shí)-可運(yùn)營時(shí)間≥98%-單位投資成本（?產(chǎn)1公?氫?產(chǎn)能）≤2,400歐元-年運(yùn)?、維護(hù)成本（?產(chǎn)1公?氫?）≤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?于2010年，并在次年收購了?家SOFC公司作為其后來發(fā)展的技術(shù)核??；?種Power-to-Liquid（PtL）?藝，Sunfire于2020年10?在荷蘭建成了2.4MWSOEC的項(xiàng)??范，每?時(shí)產(chǎn)氫60公??于合成燃料的?產(chǎn)，其系統(tǒng)電能效率（LHVH2toAC）?標(biāo)是85%。Sunfire是德國H2Giga計(jì)劃的積極參與者。本?初該公司和15家由其領(lǐng)導(dǎo)的合作伙伴從德國FederalMinistryofEducationandResearch(BMBF)獲得3,300萬歐元資助，?于SOEC電解槽系統(tǒng)優(yōu)化、制造?藝和批量?產(chǎn)。Sunfire在2021年11?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(jì)劃于2023年建成200MW的SOEC電解槽產(chǎn)能。在并購??，Sunfire在2021年1?收購了瑞?電解槽公司IHT，并于11?在奧地利的?個(gè)?品?產(chǎn)中?安裝了歐盟?臺(tái)?作壓?為30bar的3.2MW堿性電解槽。該電解槽是歐盟Demo4Grid?范項(xiàng)?的核?部分，以驗(yàn)證壓?型堿性電解槽的商業(yè)可?性，在實(shí)際市場情況下平衡電?，?產(chǎn)?業(yè)?綠氫。該項(xiàng)?為期5年，總預(yù)算780萬歐元，其中得到FCHJU的290萬歐元資助。下圖為歐盟2010-2021期間對(duì)燃料電池技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)?、?范項(xiàng)?（?如熱電聯(lián)供、平衡電?、離?發(fā)電）的撥款，其中?2018年來每年?于PEMFC、SOFC和其它類技術(shù)的項(xiàng)?資?分別約為7,800萬、7,000萬和800萬歐元（藍(lán)、橙、綠?圖例）。主要參與公司、研究機(jī)構(gòu)包括：SolidPower,Sunfire，Ballard，PolitecnicodiTorino(PolytechnicUniversityofTurin)和VTTTechnicalResearchCentreofFinland。五、美國氫能研發(fā)體系他?之?，可以攻?。本節(jié)以電解?研發(fā)為例，介紹美國以技術(shù)成熟度為劃分、國家實(shí)驗(yàn)室為主導(dǎo)的研發(fā)體系。下?中RD&D=Research,Development&Demonstration。技術(shù)成熟度（TechnologyReadinessLevel，RTL）評(píng)估?法在美國已被航天和國防部門應(yīng)?了很長時(shí)間，以系統(tǒng)的形式按上圖分為九級(jí)，確定研發(fā)產(chǎn)品的材料、?藝狀態(tài)和?產(chǎn)準(zhǔn)備，并配置相應(yīng)的資源。該?具被證明?常有效可?，不僅可以評(píng)估不同研發(fā)階段的需求，?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(fù)責(zé)能源政策制定，?業(yè)管理和相關(guān)技術(shù)研發(fā)等職責(zé)的?政部門，其下屬的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室中?前有14個(gè)從事和氫能相關(guān)的研發(fā)。DOE按技術(shù)成熟度將電解?研發(fā)課題分為三類，并組建相應(yīng)的聯(lián)盟（Consortium），從?形成從基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件到?產(chǎn)制造三級(jí)漸進(jìn)，避免在?范推?階段出現(xiàn)關(guān)鍵零部件薄弱的局?。另外，DOE提供資助并不僅限于美國本?單位，?如加拿?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??；A(chǔ)材料是?端制造的基?。就氫能??，美國能源部組建了由下?四個(gè)材料聯(lián)盟構(gòu)成的氫能材料研發(fā)Network，以加速早期應(yīng)?型材料在氫能領(lǐng)域的突破。六、回顧與展望?1800年電解?在英國被發(fā)明以來，電解槽的發(fā)展已經(jīng)歷了兩個(gè)多世紀(jì)，不同時(shí)期的技術(shù)進(jìn)步（尤其是材料的突破）極?地影響了其發(fā)展進(jìn)程。1950年前電解?主要?于由低成本?電來?產(chǎn)合成氨，堿性電解槽是這?時(shí)期唯?的技術(shù)。1940年代，杜邦公司發(fā)明了?種兼具機(jī)械、熱穩(wěn)定性和良好質(zhì)?傳輸性能的材料，使PEM技術(shù)成為可能，并?先應(yīng)?于航空、軍事領(lǐng)域，在1980年代進(jìn)?商業(yè)領(lǐng)域。2010年后，隨著光伏、風(fēng)電的推?及電解槽成本下降使綠氫成為商業(yè)上可?的案例，并隨全球?候?動(dòng)共識(shí)進(jìn)?各國能源政策議程。未來五年，筆者預(yù)期PEM電解?將從?眾到主流，實(shí)現(xiàn)MW到GW級(jí)別的飛躍。隨著材料技術(shù)的不斷突破，SOEC有望迎來實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段，AEM也開始逐步進(jìn)?早期市場。另外，各國對(duì)新型制氫研發(fā)的