制氫技術(shù)的案例
基于全流程分析的中國煤制氫耦合CCUS技術(shù)碳足跡評(píng)估
由于其他制氫工藝在技術(shù)和成本方面仍受制約，煤制氫將是中國初期及中期階段的主要氫源，而碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低碳煤制氫的關(guān)鍵技術(shù)選擇。考慮到CCUS技術(shù)的額外能耗和碳捕集的不完全性等特點(diǎn)，煤制氫耦合CCUS技術(shù)全流程仍將產(chǎn)生不同程度的碳排放，但相關(guān)評(píng)估較少。基于此，本文從全流程的角度評(píng)估和比較煤制氫耦合CCUS技術(shù)的碳足跡，研究結(jié)論為中國低碳化氫能發(fā)展提供決策參考，對(duì)碳中和目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型具有一定的指導(dǎo)意義。
01
引言
氫能的來源具有多樣性，其中可再生能源電解水制氫被認(rèn)為是較為理想的制氫方式，從長期來看其將是氫能的主要來源。但受技術(shù)成熟度、制氫成本等諸多因素的影響，目前化石能源制氫仍是全球主流的制氫方式，約占全球氫能來源的95%以上。
中國是氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國，同時(shí)也是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，在氫能發(fā)展的初期和中期階段仍需依賴煤制氫技術(shù)滿足氫氣需求。現(xiàn)階段，相較于其他制氫技術(shù)，煤制氫技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢，但其缺點(diǎn)在于會(huì)產(chǎn)生大量CO2排放。已有研究表明，煤制氫技術(shù)的碳足跡遠(yuǎn)高于天然氣制氫、生物質(zhì)制氫、光伏/風(fēng)力發(fā)電制氫（電解水）及核能/熱化學(xué)制氫等主要制氫技術(shù)。為兼顧氫能供應(yīng)和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，中國需發(fā)展低碳煤制氫技術(shù)，目前碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低碳煤制氫的重要
手段。
然而，CCUS技術(shù)會(huì)引起額外能耗，增加 CO2排放，其凈減排效果無法根據(jù) CO2捕集率直接衡量。
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電解水制氫經(jīng)濟(jì)性難題怎么解？
光伏發(fā)電制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性
光伏發(fā)電制氫用于天然氣摻燒、燃料電池，可豐富終端用戶用能多樣性，保障能源安全，也是解決光伏發(fā)電所面臨問題的一種途徑。
光伏發(fā)電技術(shù)和制氫技術(shù)都較為成熟，光伏制氫系統(tǒng)技術(shù)研究相對(duì)較多，但還未出現(xiàn)大型工程。光伏制氫技術(shù)主要集中在光伏制氫聯(lián)合運(yùn)行模式優(yōu)化與光伏制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面，目前研究主要集中于系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性缺乏研究。本文重點(diǎn)研究光伏制氫經(jīng)濟(jì)性，并與傳統(tǒng)行業(yè)制氫成本進(jìn)行對(duì)比分析，從而為光伏制氫提供發(fā)展路徑建議。
光伏制氫技術(shù)路線
光伏發(fā)電制氫主要利用光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)直流電直接供應(yīng)制氫站制氫用電。光伏直流發(fā)電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)電站減少了逆變和升壓的過程，主要設(shè)備設(shè)施包括光伏組件、匯流箱、支架、基礎(chǔ)、接地裝置等，光伏組件可根據(jù)制氫站輸入電壓和電流要求進(jìn)行串、并連配置，從而提高系統(tǒng)效率。電解水制氫目前技術(shù)成熟、設(shè)備簡單，運(yùn)行和管理較為方便，制取氫氣純度較高，無污染，主要有3種技術(shù)路線。
堿性電解槽制氫。該種電解槽的結(jié)構(gòu)簡單，適合大規(guī)模制氫，價(jià)格較便宜，效率偏低約70%~80%，主要設(shè)備包括電源、陰陽極、橫膈膜、電解液和電解槽箱體組成，電解液通常為氫氧化鈉溶液，電解槽主要包括單極式和雙極式。
質(zhì)子交換膜電解槽（PEM Electrolyzer）制氫。效率較堿性電解槽效率更高，主要使用了離子交換技術(shù)。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成，由于較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。隨著質(zhì)子交換膜、電極貴金屬技術(shù)進(jìn)步，PEM電解槽制氫成本將會(huì)大大降低。
展開 
天然氣制氫工藝與技術(shù)
反應(yīng)式：CH4+H2O→CO+3H2-Q CO+H2O→CO2+H2+Q
主要技術(shù)指標(biāo)。壓力：1.0-2.5MPa;天然氣單耗: 0.5-0.56Nm3/ Nm3氫氣;電耗: 0.8-1.5/ Nm3氫氣;規(guī)模: 1000 Nm3/h ~100000 Nm3/h;純度: 符合工業(yè)氫、純氫(GB/T7445-1995);年運(yùn)行時(shí)間: 大于8000h。
3、天然氣水蒸汽重整制氫需解決的關(guān)鍵問題
天然氣水蒸汽重整制氫需吸收大量的熱，制氫過程能耗高，燃料成本占生產(chǎn)成本的50-70%。遼河油田在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量有成效的研究工作，在油氣集輸企業(yè)建有大批工業(yè)生產(chǎn)裝置，考慮到氫在煉廠和未來能源領(lǐng)域的應(yīng)用，天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)不能滿足未能滿足大規(guī)模制氫的要求。因此研究和開發(fā)更為先進(jìn)的天然氣制氫新工藝技術(shù)是解決廉價(jià)氫源的重要保證，新工藝技術(shù)應(yīng)在降低生產(chǎn)裝置投資和減少生產(chǎn)成本方面應(yīng)有明顯的突破。
4、天然氣制氫新工藝和新技術(shù)分析
天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫。該技術(shù)最突出的特色是大部分原料反應(yīng)本質(zhì)為部分氧化反應(yīng) ，控速步驟已成為快速部分氧化反應(yīng)，較大幅度地提高了天然氣制氫裝置的生產(chǎn)能力。天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫工藝采用廉價(jià)的空氣做氧源，設(shè)計(jì)的含有氧分布器的反應(yīng)器可解決催化劑床層熱點(diǎn)問題及能量的合理分配，催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定性也因床層熱點(diǎn)降低而得到較大提高，天然氣絕熱轉(zhuǎn)化制氫在加氫站小規(guī)模現(xiàn)場制氫更能體現(xiàn)其生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。該新工藝具有流程短和操作單元簡單的優(yōu)點(diǎn)，可明顯降低小規(guī)模現(xiàn)場制氫裝置投資和制氫成本。
天然氣部分氧化制氫。天然氣催化部分氧化制合成氣，相比傳統(tǒng)的蒸汽重整方法比，該過程能耗低，采用極其廉價(jià)的耐火材料堆砌反應(yīng)器，但天然氣催化部分氧化制氫因大量純氧而增加了昂貴的空分裝置投資和制氧成本。
展開 可再生能源電解水制氫儲(chǔ)能應(yīng)用前景廣闊
表1 三種典型電解制氫技術(shù)對(duì)比
由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對(duì)比較成熟，可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫，且工藝簡單，成本低，但其難以快速啟動(dòng)及適應(yīng)變載，無法快速調(diào)節(jié)制氫速率，與可再生能源發(fā)電適配性較差。
質(zhì)子交換膜電解槽負(fù)荷范圍寬，運(yùn)行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動(dòng)性，且冷啟動(dòng)時(shí)間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動(dòng)的領(lǐng)域，但當(dāng)前技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)大的突破，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化制氫。
固體氧化物電解制氫技術(shù)應(yīng)用相較前者少的多，距離規(guī)模化制氫應(yīng)用尚需相關(guān)材料和催化劑技術(shù)進(jìn)一步攻關(guān)，但其能耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)將使其在未來成為主流可再生能源規(guī)模化制氫技術(shù)，因此我國應(yīng)提前布局新興電解槽技術(shù)，攻關(guān)固體氧化物電解制氫技術(shù)難點(diǎn)。
在我國氫能市場中，堿性電解水制氫技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，被更加廣泛地應(yīng)用于各大型電解水制氫項(xiàng)目中。
近年來，因質(zhì)子交換膜電解槽運(yùn)行更加靈活且負(fù)載范圍寬的特性，國內(nèi)新建項(xiàng)目逐步轉(zhuǎn)為采用質(zhì)子交換膜技術(shù)耦合可再生能源發(fā)電進(jìn)行規(guī)模化制氫，因此，開發(fā)新型電解槽技術(shù)，進(jìn)一步提高電解水制氫效率和穩(wěn)定性。
電解水制氫工藝近年來發(fā)展迅猛，不斷突破技術(shù)瓶頸，并有大批規(guī)模化電解制氫項(xiàng)目落地，為可再生能源電解制氫技術(shù)提供了實(shí)踐支撐。目前國內(nèi)可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術(shù)為主，國外質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)應(yīng)用實(shí)例較多。
加拿大20MW項(xiàng)目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg，該項(xiàng)目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。
展開 碳中和|電解海水制氫的機(jī)遇
光合細(xì)菌產(chǎn)氫是通過光裂解有機(jī)酸完成的，而不是簡單地光解水。光合產(chǎn)氫途徑是在固氮酶或氫酶催化下，將光合磷酸化與還原性物質(zhì)代謝耦連，利用吸收的光能與代謝產(chǎn)生的還原力產(chǎn)生氫氣的一種過程。
二、直接電解海水的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
電解水制氫技術(shù)比較傳統(tǒng)化石能源制氫技術(shù)仍然不夠成熟，現(xiàn)在電解水制氫技術(shù)整套機(jī)制最大的劣勢在于成本。但電解水制氫具有工藝簡單、無污染、產(chǎn)出氫氣純度高等優(yōu)勢，能夠很好地與可再生能源結(jié)合，達(dá)到大幅度降低制氫成本的效果[9]。目前，電解淡水制氫已經(jīng)被廣泛使用，但是淡水儲(chǔ)量在地球上所有水資源中只占2.53%，且淡水中有極大一部分儲(chǔ)存在冰山、冰川中，其難以被人類利用，據(jù)調(diào)查，能被人類利用的淡水只占淡水總儲(chǔ)量的0.3%。
大力發(fā)展電解海水制氫工業(yè)，再結(jié)合我國沿海相對(duì)成熟的海上風(fēng)電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)完善的氫能大規(guī)模、無污染的制取工業(yè)。電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)和固體氧化物水電解制氫技術(shù)。目前美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術(shù)視為未來能源技術(shù)的主流發(fā)展方向，主要聚焦將堿性水電解制氫技術(shù)規(guī)模化和將質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)圍繞該技術(shù)的“電解效率”“耐久性”和“設(shè)備成本”三個(gè)關(guān)鍵降本性能指標(biāo)來推進(jìn)整體技術(shù)研發(fā)。
① 電解水制氫原理
。電解水的基本原理是以電能作為能量來源，推動(dòng)水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣和氧氣。圖1形象地解釋了電解水制氫的原理。
展開 部分演講嘉賓已確定 | 2021可再生能源制氫論壇
綠氫成本降低的策略分析
5. 綠氫的投資機(jī)遇分析
主題二：不同來源的制氫方式
1. 光伏制氫的原理與技術(shù)現(xiàn)狀
2. 風(fēng)電制氫的經(jīng)濟(jì)性及發(fā)展前景
3. 棄風(fēng)、棄光制氫潛力分析
4. 海水電解制氫技術(shù)
5. 核能制氫的新嘗試
6. 光催化制氫技術(shù)的新進(jìn)展
7. 光電催化制氫技術(shù)
8. 生物質(zhì)制氫技術(shù)及其研究進(jìn)展
9. 液態(tài)燃料現(xiàn)場制氫技術(shù)
主題三：電解水制氫技術(shù)
1. 堿性電解水技術(shù)(ALK)
堿性電解水制氫的商業(yè)化現(xiàn)狀
2. PEM電解水制氫
可再生能源PEM電解水制氫的現(xiàn)狀和展望
高壓PEM制氫技術(shù)的研究
PEM水電解制氫用質(zhì)子交換膜的研究進(jìn)展
質(zhì)子交換膜(PEM)水電解制氫用新型析氧電極研究
PEM電解水析氧催化劑研究進(jìn)展
國外PEM制氫技術(shù)及案例分析
PEM電解水制氫裝置及系統(tǒng)解決方案
3.
展開 電解水制氫、氫氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移邏輯
堿性水電解制氫技術(shù)成熟，投資、運(yùn)行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點(diǎn)。
1.2、PEM水電解制氫
區(qū)別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。
PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等。其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
與堿性水電解制氫相比，PEM水電解制氫工作電流密度更高（?1 A/cm2），總體效率更高（74%~87%），氫氣體積分?jǐn)?shù)更高（>99.99%），產(chǎn)氣壓力更高（3~4 MPa），動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)。目前PEM水電解制氫技術(shù)已在加氫站現(xiàn)場制氫、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到示范應(yīng)用并逐步推廣。
過去5年電解槽成本已下降了40%，但是投資和運(yùn)行成本高仍然是PEM水電解制氫亟待解決的主要問題，這與目前析氧、析氫電催化劑只能選用貴金屬材料密切相關(guān)。為此降低催化劑與電解槽的材料成本，特別是陰、陽極電催化劑的貴金屬載量，提高電解槽的效率和壽命，是PEM水電解制氫技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。
展開 氫氣傳感器在電解水制氫出口氧中氫含量檢測中的應(yīng)用
氫作為一種清潔、高效的二次能源，在現(xiàn)代能源體系中扮演著越來越重要的角色。電解水制氫作為一種低碳、零排放的制氫方法，利用可再生能源產(chǎn)生的“綠電”和純水作為原料，被寄予厚望成為未來綠氫的主要來源。然而，盡管其前景廣闊，目前綠氫在氫氣生產(chǎn)總量中的占比仍然較低，受限于高昂的生產(chǎn)成本，特別是電價(jià)和制氫裝備成本。
電解水制氫的基本原理是在直流電的作用下將水分子解離為氫氣和氧氣。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫技術(shù)可分為堿性電解（AWE）、質(zhì)子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解三種。每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限性。例如，PEM電解水制氫技術(shù)具有較高的安全性和效率，但成本較高；堿性電解水制氫技術(shù)則因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本低廉而廣受歡迎，但效率和性能相對(duì)較低，且存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；而固體氧化物電解水制氫技術(shù)則具有更高的電化學(xué)性能和效率，但其高溫工作條件和啟動(dòng)慢的劣勢限制了其應(yīng)用場景。
無論采用哪種制氫方法，生產(chǎn)出的氫氣都需要達(dá)到一定的純度標(biāo)準(zhǔn)才能投入使用。電解水制氫產(chǎn)生的氫氣純度通常較高，可達(dá)99.9%以上。然而，在電解過程中，由于各種因素的影響，如電解槽缺陷、電極質(zhì)量不均勻或操作條件不合適等，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的氧氣中混入微量氫氣。如果氫氣和氧氣的混合比率超過一定限度，就可能引發(fā)安全事故。
因此，在電解水制氫過程中，對(duì)氧氣中微量氫氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測至關(guān)重要。這就需要使用氫氣傳感器來檢測氫氣純度，確保氫氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。氫氣傳感器是一種能夠檢測氣體中氫氣濃度的儀表，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。
在電解水制氫出口氧中氫含量的檢測中，常用的氫氣傳感器有熱導(dǎo)式氣體傳感器、半導(dǎo)體氫氣傳感器、電化學(xué)氫氣傳感器、催化燃?xì)鈿錃鈧鞲衅鞯取?熱導(dǎo)式氣體傳感器的工作原理是通過測量微型機(jī)械加熱元件的溫度提升來確定氣體組分。
展開 核電制氫來啦！！（內(nèi)附核電制氫詳解）
另外，利用核電電解水只是核能發(fā)電與傳統(tǒng)電解的簡單聯(lián)合，仍屬于核能發(fā)電領(lǐng)域，一般不視為真正意義上的核能制氫技術(shù)。因此，以水為原料、全部或部分利用核熱的熱化學(xué)循環(huán)和高溫蒸汽電解被認(rèn)為是代表未來發(fā)展方向的核能制氫技術(shù)。
核能到氫能的轉(zhuǎn)化途徑
目前國際上各大發(fā)達(dá)國家都在積極的進(jìn)行核能制氫項(xiàng)目的研究與開展，力圖早日邁入氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)。國正在積極推動(dòng)核能制氫技術(shù)的發(fā)展，并已進(jìn)入商業(yè)示范階段。我國在國家科技重大專項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究已取得良好進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。在發(fā)展核氫戰(zhàn)略中，需要政府加大政策支持和投入保障力度，盡快落實(shí)建設(shè)60萬千瓦高溫氣冷堆核能工程；大力發(fā)展和引進(jìn)核能制氫人才和研發(fā)企業(yè)，提高專業(yè)研發(fā)能力，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)范圍。
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干貨分享│煉化企業(yè)制氫方式都有哪些？哪種最劃算？
PDH產(chǎn)物中氫氣(φ)在60%~95%，可通過純化技術(shù)制取滿足燃料電池應(yīng)用的氫氣。
目前，國內(nèi)共有10余個(gè)PDH項(xiàng)目已經(jīng)投產(chǎn)，此外還有若干PDH項(xiàng)目在建。預(yù)計(jì)到2023年，PDH項(xiàng)目副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能可達(dá)到37萬t/a，將來也可作為燃料電池車用燃料的來源之一。
2
化石原料制氫
①煤制氫
我國的煤炭資源豐富，煤制氫技術(shù)的發(fā)展非常迅速，是目前我國最主要的制氫技術(shù)之一，其技術(shù)路徑是煤炭通過氣化轉(zhuǎn)化成合成氣，再經(jīng)水煤氣變化分離處理，提取高純度的氫氣。
煤制氫按照具體工藝流程有水煤漿氣化制氫和干粉煤氣化制氫，其中以航天爐技術(shù)、清華爐水冷壁技術(shù)和華理四噴嘴技術(shù)為代表的煤氣化技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，煤制氫裝置合成氣生產(chǎn)規(guī)模超過20萬m3/h，煤氣化制氫技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率在55%~60%，同時(shí)合成氣裝置每生產(chǎn)1m3 H2，CO2的排放量約為2.710kg。煤制氫工藝的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、原料成本低、規(guī)模裝置大，缺點(diǎn)則是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)轉(zhuǎn)周期相對(duì)低、投資高、配套裝置多。此外，煤制氫裝置必須要考慮二氧化碳排放問題，隨著我國碳排放政策的日益收緊，未來作為溫室氣體二氧化碳排放將會(huì)征收高額碳稅。
②天然氣制氫
天然氣制氫按照工藝路線的不同，主要分為蒸汽重整制氫、絕熱制氫、部分氧化制氫、高溫裂解制氫和自熱重整制氫等。目前國內(nèi)外主流制氫方式是蒸汽重整制氫。
天然氣蒸汽重整制氫主要包括4個(gè)流程：
a）原料預(yù)處理。主要指原料氣的脫硫過程。
b）天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化。多采用在鎳系催化劑作用下天然氣與水蒸氣反應(yīng)，天然氣中的烷烴轉(zhuǎn)化成主要成分為一氧化碳和氫氣的原料氣。
c）一氧化碳變換。
展開 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈解析之制氫篇：PEM電解水
綠氫是通過可再生能源發(fā)電，再通過電解水獲取氫氣。電解水制氫是在直流電的作用下，通過電化學(xué)過程將水分子分解為氫氣和氧氣，分別在陰、陽極析出。而電解水制氫目前主要有三種技術(shù)路線，即堿性電解（AWE），質(zhì)子交換膜（PEM）電解以及固體氧化物（SOEC）三種技術(shù)路線。電解水制氫三種技術(shù)路線對(duì)比在以上三種技術(shù)路線中，PEM電解水制氫的效率較高，并且適用于可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性，是當(dāng)下主流也是比較有前景的電解水制氫技術(shù)，下面我們就來看一下PEM電解水制氫的技術(shù)原理。PEM電解水制氫原理與堿性電解池相比，PEM電解池用質(zhì)子交換膜代替了石棉膜，傳導(dǎo)質(zhì)子，并隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點(diǎn)。同時(shí)，PEM電解池的體積更為緊湊，結(jié)構(gòu)方面零間隙，極大降低了電解池的歐姆內(nèi)阻，提升了整體性能。PEM電解池的結(jié)構(gòu)典型的PEM電解池主要由陽極端板、陰極端板、陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化層以及質(zhì)子交換膜組成。其中，端板的作用是固定電解池組件，并引導(dǎo)電流傳遞，分配水、氣，擴(kuò)散層起集流，促進(jìn)氣液傳遞等作用，催化層的核心是由催化劑、電子傳導(dǎo)介質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)組成的三相界面，是電化學(xué)反應(yīng)的核心場所。質(zhì)子交換膜一般使用全氟磺酸膜，傳遞質(zhì)子，隔絕開陰陽極生成的氣體，并阻止電子的傳遞。PEM電解水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與堿性電解水相比，PEM電解水的優(yōu)勢主要在于：1.由于采用的是質(zhì)子交換膜固體電解質(zhì)，產(chǎn)生的氣體無需進(jìn)行脫堿處理；2.效率高于堿性電解池；3.啟停快，響應(yīng)性好4.能適應(yīng)可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性。PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)目前PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)在于成本較高，主要是由于催化劑用到貴金屬鉑，成本一時(shí)難以降低，這一點(diǎn)與燃料電池面臨的問題是一樣的，如何降低催化劑的鉑載量或?qū)ふ倚碌牡统杀镜奶娲牧希彩钱?dāng)前要研究并攻克的關(guān)鍵技術(shù)問題。
展開 敢于突破 造車新勢力更偏愛創(chuàng)造新技術(shù)
在去年的廣州車展上，愛馳汽車旗下的RG Nathalie登臺(tái)亮相，采用的動(dòng)力系統(tǒng)同樣是甲醇重整制氫燃料電池，資料顯示其百公里加速破2.5秒，最高時(shí)速300km，最大續(xù)駛里程能達(dá)到1200公里。
在去年10月舉行的第三屆國際氫能與燃料電池汽車大會(huì)（FCVC 2018）同期展會(huì)上，作為唯一一個(gè)參展的造車新勢力，威馬汽車展示了一款由甲醇燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力的乘用車，與氫燃料電池汽車工作原理類似，只不過將氫氣換成了甲醇。
如此多的案例似乎預(yù)示著一個(gè)現(xiàn)實(shí)，造車新勢力更“青睞”汽車產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)。而更有意思的是，新勢力“青睞”的似乎都是還未量產(chǎn)，甚至是還未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段的前沿技術(shù)。
天際汽車布局的固態(tài)電池，已經(jīng)是當(dāng)前全球電池技術(shù)的熱點(diǎn)。日本為應(yīng)對(duì)中國和韓國電池產(chǎn)業(yè)的崛起，舉全國之力研發(fā)下一代固態(tài)電池，每年政府相關(guān)經(jīng)費(fèi)支出達(dá)到50億～100億日元。美國和歐洲原有較為薄弱的電池產(chǎn)業(yè)，也在全力開發(fā)新一代固態(tài)電池，但目前均處于研發(fā)階段。中國科學(xué)院院士、中國電動(dòng)汽車百人會(huì)執(zhí)行副理事長歐陽明高預(yù)計(jì)，全固態(tài)電池大規(guī)模商業(yè)化估計(jì)在2025～2030年以后才會(huì)真正實(shí)現(xiàn)。
天際汽車采用的燃料電池汽車技術(shù)方案與愛馳汽車一樣，是甲醇重整制氫方案，這并不是目前氫燃料電池汽車的“主流”技術(shù)路線，不同點(diǎn)在于用甲醇重整器替代儲(chǔ)氫罐。在重整器內(nèi)，甲醇和水的混合液被轉(zhuǎn)化為富氫重整氣，重整氣進(jìn)入高溫質(zhì)子膜電堆進(jìn)行發(fā)電，并向外部（即汽車）供應(yīng)電力。一位長期從事氫燃料電池汽車開發(fā)工作的技術(shù)人員告訴記者，在工業(yè)領(lǐng)域，甲醇重整制氫技術(shù)較成熟，也被廣泛應(yīng)用。但在交通領(lǐng)域，車載甲醇重整制氫技術(shù)還處于研究階段，尚有系統(tǒng)復(fù)雜、啟動(dòng)時(shí)間長、系統(tǒng)功率小、產(chǎn)品成熟度低、存在碳排放等問題需要突破。
展開 深度解析：氫能產(chǎn)業(yè)鏈全景梳理
氫能的應(yīng)用可以廣泛滲透到傳統(tǒng)能源的各個(gè)方面，包括交通運(yùn)輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等，主要技術(shù)是直接燃燒和燃料電池技術(shù)。
根據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價(jià)值，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%，屆時(shí)將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費(fèi)主體。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達(dá)到10%，氫氣需求量接近6000萬噸，其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫2458萬噸，約占該領(lǐng)域用能比例19%，燃料電池車產(chǎn)量達(dá)到520萬輛/年。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈：涵蓋氫能端及燃料電池端
氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋氫能端及燃料電池端。在氫能及燃料電池領(lǐng)域，我國已經(jīng)初步形成從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局，布局了完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
與鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈相比，氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈更長，復(fù)雜度更高，理論經(jīng)濟(jì)價(jià)值含量更大。
氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈全景梳理：
資料來源：方證證券
氫能產(chǎn)業(yè)鏈：氫能端
氫能端指氫氣從生產(chǎn)到下游應(yīng)用的過程，包括制氫（電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等）、儲(chǔ)氫氫、運(yùn)氫、加氫（加氫站加氫）等核心環(huán)節(jié)。
制 氫
目前制氫技術(shù)路線按原料來源主要分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫和電解水制氫幾種。
常規(guī)的制氫技術(shù)路線中以傳統(tǒng)化石能源制氫為主，全球范圍內(nèi)主要是使用天然氣制氫，我國由于煤炭資源比較豐富，因此主要使用煤制氫技術(shù)路線，占全國制氫技術(shù)的60%以上。
制氫路線上將由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。大規(guī)模低成本氫氣是關(guān)鍵，路線由“灰氫”向“綠氫”發(fā)展。未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢。
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