從材料、性能、效率和成本，上圖中四種電解水技術都有自身的優勢和挑戰。相比堿性電解槽，在特定應用場景（如車規級氫能、波動性可再生能源）中PEM的優勢日漸明顯，國際上許多新建項目已開始選用PEM電解槽，其市場滲透率預期會逐步擴大。SOEC和AEM做為新興技術都有巨大潛力，也是歐美研發的重點，但前者在規模量產前在耐久性、制造工藝上還有待提升，后者目前還處在基礎材料研發階段。

 

 

上圖中列出的技術成熟度 （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重點，生物質（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）制氫做為長期研發戰略，其三大類制氫路線則具體反映在下圖二中各相關技術的成熟度上。

 

 

 

 

質子交換膜（PEM）電解槽使用較薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先進的電極結構，低阻、高效。PFSA膜化學、機械性都很穩定，且耐壓，因此PEM電池可在最高達70 bar下運行，而氧氣側則處于常壓。PEM電解槽的缺點是需在高酸性、高電勢和不利的氧化環境中工作，因此需要高穩定性的材料。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定性，也提供了良好的傳導性和電池效率。PEM系統有著緊湊、簡單的設計，但對水的雜質敏感（如鐵、銅、鉻、鈉），并會受到煅燒的影響。

 

 

質子交換膜（PEM）電解槽使用較薄的全氟磺酸膜（PFSA）和先進的電極結構，低阻、高效。PFSA膜化學、機械性都很穩定，且耐壓，因此PEM電池可在最高達70 bar下運行，而氧氣側則處于常壓。PEM電解槽的缺點是需在高酸性、高電勢和不利的氧化環境中工作，因此需要高穩定性的材料。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定性，也提供了良好的傳導性和電池效率。PEM系統有著緊湊、簡單的設計，但對水的雜質敏感（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電解水實驗室技術和后者的設備、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、儲運公司United Hydrogen。繼燃料電池叉車后，Plug計劃將PEM電解水發展成其另一主營業務。2007年，Plug以1,000萬美元收購了專注叉車業務的General Hydrogen（該公司由Geoffrey Ballard在2000年離開巴拉德后創辦），開啟了燃料電池在叉車領域的破冰之旅；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的代表，Giner ELX及其原母公司Giner Labs 的多個PEM和AEM研發項目得到美國能源部的資助。目前，美國PEM電解水材料的研發重點是機理研究和提升材料性能，而AEM則是材料開發和機理研究，并成立了下圖中以大學、國家實驗室為主導的研發專項。

 

 

 

作為最新的電解水技術，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、高效相結合。該技術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、機械穩定性的問題，影響壽命曲線。此外，AEM膜的傳導性低，催化動力學慢和電極結構較差也影響著AEM的性能。性能的提升通常是通過調整膜的傳導性，或通過添加支持性電解質（如KOH、NaHCO3）來實現，但這又會降低耐久性。在PEM中，OH-離子的傳導速度要比H+質子慢三倍，因此AEM將面臨更大的挑戰，需要研制更薄或具有更高電荷密度的膜，同時對BOP輔助系統也提出了較高的要求。

 

根據是否需要堿性電解質，目前國際上AEM的研發方向分為堿性電解質系統和純水系統（即無堿液，便于系統維護）。前者的研發重點是提升電流密度和耐久性；后者是提升膜的穩定性，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策略。

 

目前AEM技術尚處于研發階段。國際上領先的開發、制造商是意大利的ENAPTER，其實現了小型產品的商業化，下圖右上為其產品公開參數，右下為美國能源部2021年對其問卷調研信息。

 

 

目前ENAPTER的研發重點是在純水系統下提升膜的傳導性和耐久性，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聚合物結構中不穩定分解機制的根源。

 

作為現代PEM燃料電池技術的發源地，加拿大擁有 Ballard, Hydrogenics, Carbon Engineering, Westport等一批前瞻性技術公司，這得益于加拿大政府對突破性創新的高度重視。1983年，當時還叫 Ballard Research Inc. 的公司從加拿大聯邦政府獲得了50萬加元資助，開啟了PEM燃料電池技術的商業化之旅。今天業界祝愿Ballard歷史能在Ionomr公司重現，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。

 

 

固體氧化物（SOEC）電解槽在高溫（700-850℃）下運行，動力學上的優勢使其可使用廉價的鎳電極。如利用工業生產中高品質的余熱（比如能量輸入為75%電能+25%水蒸氣中的熱能），SOEC的系統效率（LHV H2 to AC）近期內有望達到達85%，并在10年內達到歐盟的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），再進一步生產合成燃料（e-fuels，如柴油、航空燃油）。因此SOEC技術有望被廣泛應用于二氧化碳回收、燃料生產和化學合成品，這是歐盟近年來的研發重點。SOEC的另一優勢是可逆性，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課題。

 

耐久性是SOEC目前的首要問題，熱化學循環，特別是系統停、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的重點。

 

美國SOEC代表性公司包括FuelCell Energy和康明斯。在2016-2020間，FuelCell Energy負責了一個美國能源部撥款為300萬美元的SOEC研發項目，并完成了下面的指標。

 

- 電堆效率（LHV H2 to AC）>95%

 

- 系統效率（LHV H2 to AC）>90%

 

- 系統效率（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

 

- 開發子系統，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、生產的研發。該項目將利用康明斯現有成熟的熱噴涂工藝，自動化生產以金屬為基礎的固體氧化物電堆，從而減少昂貴的燒結工藝，并將所需密封件數量減少50%。該項目為期三年，總預算716萬美元，目標是開發60kW固體氧化物電堆自動化組裝的標準樣板，用于建立年產能為94MW的SOEC電解槽工廠。

 

2020年1月，歐盟啟動了總預算為975萬歐元的SOEC示范項目（其中FCH JU出資700萬），旨在五年內將SOEC的技術成熟度由TRL7提升至TRL8，并制定了下面的KPI。

 

- 系統電能消耗（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1公斤氫氣產能）≤ 2,400歐元

 

- 年運行、維護成本（日產1公斤氫氣）≤ 120歐元

 

德國Sunfire是歐洲SOEC技術代表。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公司做為其后來發展的技術核心。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，每小時產氫60公斤用于合成燃料的生產，其系統電能效率（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家由其領導的合作伙伴從德國Federal Ministry of Education and Research （BMBF） 獲得3,300萬歐元資助，用于SOEC電解槽系統優化、制造工藝和批量生產。

 

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可行性，在實際市場情況下平衡電網，生產工業用綠氫。該項目為期5年，總預算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在能源領域應用、示范項目（比如熱電聯供、平衡電網、離網發電）的撥款，其中自2018年來每年用于PEMFC、SOFC和其它類技術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、研究機構包括：SolidPower, Sunfire，Ballard，Politecnico diTorino （Polytechnic University of Turin） 和VTTTechnical Research Centre of Finland。

 

 

 

它山之石，可以攻玉。本節以電解水研發為例，介紹美國以技術成熟度為劃分、國家實驗室為主導的研發體系。下文中RD&D = Research, Development & Demonstration。

 

 

技術成熟度（Technology Readiness Level，RTL）評估方法在美國已被航天和國防部門應用了很長時間，以系統的形式按上圖分為九級，確定研發產品的材料、工藝狀態和生產準備，并配置相應的資源。該工具被證明非常有效可行，不僅可以評估不同研發階段的需求，而且可為最終產品提供必要的指導。

 

美國能源部（DOE）是美國聯邦政府負責能源政策制定，行業管理和相關技術研發等職責的行政部門，其下屬的17個國家實驗室中目前有14個從事和氫能相關的研發。DOE按技術成熟度將電解水研發課題分為三類，并組建相應的聯盟（Consortium），從而形成從基礎材料、關鍵零部件到生產制造三級漸進，避免在示范推廣階段出現關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數千萬美元研發資金。

 

 

基礎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盟構成的氫能材料研發Network，以加速早期應用型材料在氫能領域的突破。

 

 

 

 

 

自1800年電解水在英國被發明以來，電解槽的發展已經歷了兩個多世紀，不同時期的技術進步（尤其是材料的突破）極大地影響了其發展進程。1950年前電解水主要用于由低成本水電來生產合成氨，堿性電解槽是這一時期唯一的技術。1940年代，杜邦公司發明了一種兼具機械、熱穩定性和良好質子傳輸性能的材料，使PEM技術成為可能，并首先應用于航空、軍事領域，在1980年代進入商業領域。2010年后，隨著光伏、風電的推廣及電解槽成本下降使綠氫成為商業上可行的案例，并隨全球氣候行動共識進入各國能源政策議程。

 

未來五年，筆者預期PEM電解水將從小眾到主流，實現MW到GW級別的飛躍。隨著材料技術的不斷突破，SOEC有望迎來實質性發展階段，AEM也開始逐步進入早期市場。另外，各國對新型制氫研發的投入將不斷增大，可能迎來顛覆性技術的出現，比如生物、陽光水分子裂解技術。

 

回顧歷史，太空技術的發展也極大地推進了燃料電池的研發前沿。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（Unitized Regenerative Fuel Cell System）的研發計劃，并在本世紀初由Proton OnSite開發了一套以PEM技術為基礎的可逆燃料電池。另外，Bloom Energy已商業化的ES-5000能源服務器也源于其為NASA火星項目而開發的固體氧化物技術。

 

篳路藍縷，以啟山林。蜚聲國際的大連化學物理研究所是我國燃料電池技術的發源地，其最初的研究源于1967年的研制航天氫氧燃料電池的任務。半個世紀后的今天，繼圓滿完成2021年火星探測任務，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。

 

結語：流水爭先，靠的是綿綿不絕；氫能發展，靠的是技術不斷突破。在這氫能和FCV交匯發展的歷史性時刻，了解國內外最新動態、把握正確的技術方向更將成為企業規劃、決策的關鍵。行遠自邇，篤行不怠！