王辰博：新一代低成本PEM電解水制氫催化劑與膜電極組件

涌氫(深圳)能源科技有限公司總經(jīng)理 王辰博：我國在2022年提出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中長期規(guī)劃，該規(guī)劃中明確指出，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫，該項規(guī)劃將有助于Power to X，也就是氫轉(zhuǎn)X技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

目前商業(yè)化制氫方法主要有兩種：堿水制氫和PEM制氫。堿水制氫的歷史更為悠久，已經(jīng)有百年歷史。堿槽在我國已經(jīng)有非常大的優(yōu)勢，一方面是它的成本比較低，千方槽大約在400多萬元，它的產(chǎn)品非常成熟，有將近四五百家企業(yè)都可以生產(chǎn)堿性電解槽，而且它的供應(yīng)量比較大。既然堿槽這么成熟了，為什么還要推廣一個剛剛商業(yè)化不久的PEM制氫技術(shù)?主要問題在于風(fēng)光耦合適配，也就是說堿槽有一個重大的問題，它不能完全適配一直波動性的風(fēng)光電，也就是波動性電的輸入。

目前行業(yè)的共識是，堿性電解水再配合一部分PEM的電解水，PEM的比例大約在10%，也就是常說的“一九比”，這樣僅使用少量的儲能，就可以使氫氣得到制備，這種情況可以將整個制氫成本壓縮到14元錢，配合歐盟的碳稅補貼，可以初步實現(xiàn)比灰氫便宜。這種模式預(yù)計在2026年將投放使用。

隨著PEM技術(shù)逐步成熟，能夠更加適應(yīng)波動性的電，這樣我們對儲能的依賴會稍微減少一些。再優(yōu)化一下堿性電解槽和PEM電解槽的占比，大約是30%的PEM，我們最終可以實現(xiàn)8元/公斤氫氣的成本。這種模式因為需要大量的技術(shù)突破，各國計劃在2030年前后完成。

總結(jié)來說，對于PEM電解槽提出了兩類要求：第一是短期內(nèi)能否快速地降低成本，因為目前它太貴了。中長期，一方面提升各類的技術(shù)指標(biāo)，比如風(fēng)光耦合性，并且在中長期內(nèi)還要不斷地降低成本。

關(guān)于PEM電解槽的成本如何降低，請大家看一下PEM電解槽的成本構(gòu)成，輔機部分基本每千方100～200萬元，不是成本的重大構(gòu)成，主要問題就在于電解槽的槽體或者電堆。電堆其中一半的成本是膜電極，40%的成本是催化劑，為什么它的占比這么高?催化劑在水電解中用到了鉑也用到了銥，鉑這種元素已經(jīng)非常昂貴了，每克200元錢。銥是每克1200元，最高的時候達到每克1400元，使用一公斤的銥需要140萬元(目前是120萬元)，比黃金貴得多。因此，如何在催化劑中降低銥的載量，或許可以解決快速降本的問題。

回到之前PEM，電解槽有兩點要解決，短期的降本和中長期技術(shù)和指標(biāo)的提升，大致分成以下幾點：短期降本方面，相關(guān)技術(shù)開發(fā)分別是降低催化劑中銥的含量，提高膜電極的電密性能，相當(dāng)于把一個千方槽，如果它的電密進行了翻倍，其他的結(jié)構(gòu)、成本沒有改變，瞬間就變成了兩千方槽，也就是說成本下降了一半。第三點，能夠適配各家不同的組件，并且做到初步量產(chǎn)。這樣就可以實現(xiàn)初步PEM電解槽產(chǎn)品的成熟，做到有槽可用，將價格從現(xiàn)在槽體3000萬元降至不到2000萬元，可以做到初步用得起，預(yù)計在2026年可以實現(xiàn)。

中長期方面要攻克的問題比較多。無論提升膜電極的壽命，還是提升催化劑的自修復(fù)、耐腐蝕，以及整體的規(guī)?；a(chǎn)。這樣達成以后，在2030年，PEM電解槽可以做到成本基本上與堿性電解槽持平，并且性能可以基本上適配風(fēng)光的波動性。堿性電解槽配合PEM電解槽，將會進行低成本氫氣的制備。

我們目前階段性的成果，在催化劑方面，第一代、第二代產(chǎn)品可以做到小批量的中試，這兩個產(chǎn)品已經(jīng)在本征活性上比起銥黑或者氧化銥有了兩倍或者三倍以上的性能提升。在實驗室階段我們儲備了第三代，也就是性能將近十倍的催化劑產(chǎn)品，但是這個產(chǎn)品還需要打磨，短期內(nèi)無法進行量產(chǎn)。

膜電極方面，我們初步實現(xiàn)了一個比較高的電密，這兩方面成果的取得主要得益于：一方面我們有研發(fā)的團隊，一個十人的碩博團隊，能夠進行產(chǎn)學(xué)研的研發(fā)。更重要的是，我們有效地利用一些大的平臺設(shè)備，在此感謝江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的材料表征平臺。我們做的這個催化劑是一個納米尺度的東西，在材料研發(fā)過程中，尺度比較小，用到透射電鏡、掃描電鏡等，同時還要對其晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分和價態(tài)用到XPS、XRD等大型儀器設(shè)備，這些設(shè)備作為一個初創(chuàng)公司是很難自我擁有的。長材院的表征平臺是一個價值2.4億的平臺，作為一個開放平臺，我們可以非常及時有效而且平價地去使用它，對我們材料的開發(fā)做到了加速。

在路徑上，我們計劃2024、2025、2026年分別把一、二、三代催化劑做到產(chǎn)業(yè)化的驗證，目前跟我們的下游客戶在驗證中。這個路徑首先降低了催化劑中銥的含量，同時也降低了膜電極上銥的載量。我們還在有序地進行電流密度、壽命以及風(fēng)光耦合等多種性能方面的提升。關(guān)于適配方面，我們與多家質(zhì)子交換膜的多種型號進行適配，提升催化劑的兼容性。