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自碱液制氢（ALK）技术趋于成熟之后，质子交换膜电解（PEM）制氢的新风正吹进绿氢领域，被认为是下个阶段最有可能率先完成产业化的技术路线。
山东赛克赛斯氢能源有限公司（以下简称“赛克赛斯氢能”）是这股新风的引领者。公司是国内首家从事PEM纯水电解制氢装备的国家高新技术企业之一，至今已有30余年历史。作为国家专精特新“小巨人”企业，赛克赛斯氢能自主研发多项核心技术和生产工艺，打破了海外在质子膜、膜电极、电解堆等关键零部件和制造工艺的技术垄断，还参与起草PEM制氢相关的多项国家标准，不断推动电解水制氢产业化进程。
赛克赛斯氢能副总经理丁孝涛近日接受第一财经专访时表示，目前PEM技术在绿氢市场中的占比大约只有5%，而绿氢在国内制氢领域的占比则不足1%，是“小众中的小众”，但市场趋势正在发生变化，越来越多的企业将关注点转移到PEM制氢技术上，电解槽中标项目中PEM占比正在提高，下游市场对PEM制氢也在逐步建立认知。
锚定PEM技术路线，从实验室走向能源级产品
在接受第一财经专访时，丁孝涛对公司的研发之路进行了复盘。他表示，PEM纯水电解制氢技术是绿氢制备领域的新兴路线。赛克赛斯氢能最初就锚定在了技术门槛较高、玩家稀少的PEM技术赛道，这一点与许多从碱液制氢向PEM制氢延展的企业有所不同。
2007年，济南市科技局将PEM制氢项目转交给赛克赛斯集团。初期，公司主要生产应用于实验室分析仪器的氢气发生器，对产氢效率要求不高。2011年，公司与中国科学院长春应用化学研究所建立了合作关系，为氢燃料电池检测线供氢，成功交付了5Nm3/h的产氢设备，获得了初步认可。
2013年，赛克赛斯氢能研发团队在热压转印法的研究方面取得关键突破，成功开发出了新型膜电极制备工艺。这一进展不仅让赛克赛斯氢能的电解槽走出实验室范畴，进入了国内电厂的供应商名单，也让公司打破了国际PEM电解槽龙头美国Proton公司的市场垄断。
由于具备Proton产品相似的核心技术和更智能化的应用功能，赛克赛斯氢能的电解槽进入市场后迅速获得认可。与此同时，公司也通过设备制造和维修积累了更多经验，逐渐具备了生产2-20Nm3/h电解槽产品的能力。
电厂和实验室对电解槽的需求在10Nm3/h左右，存在一定天花板。随着电解槽的产氢效率不断打破天花板，赛克赛斯氢能开始尝试开发更多的氢气应用领域，如半导体封装、芯片制造、医药中间体等，以匹配快速增长的单槽产氢能力。
国内新能源行业快速发展背景下，赛克赛斯氢能的下一个关键节点很快到来。2017年，一家国内知名氢能上市公司找到赛克赛斯氢能寻求合作，要求提供具备大规模产氢能力的电解设备，为氢能大巴车和加氢站稳定供氢。其中单个加氢站的供氢需求就达到200Nm3/h，超出了公司当时的技术能力。
赛克赛斯氢能研发团队首次意识到，未来氢气的应用将不仅局限于实验室场景，而有望向新一代清洁能源领域拓展，这极大地打开了制氢市场的想象力。
随即，公司开始着手研发大型电解槽，向能源级产品转型，以实现更高的产氢效率。对此，公司最初的设计思路是将多个小电解槽串联使用，但在实践中这种工艺路线很快暴露出诸多问题，包括管理控制难度高、工艺有局限性等，限制了产氢能力的上限。
认识到这些问题后，公司迅速转向以增大单槽产氢量作为设计目标，并在2018年成功研发出单槽50Nm3/h的产品，使用的膜电极有效面积则达到5000平方厘米。尽管当时尚未找到相匹配的大规模应用场景，但凭借与中国科学院长春应化所的紧密合作，公司参与了科技部的“十三五”重大项目。该项目聚焦于太阳光催化制氢技术，要求在中期和末期分别提供130Nm3/h和260Nm3/h产氢量的PEM电解制氢系统。公司最终成功完成了目标，成功落地国内首个单槽MW级PEM电解槽。
氢能行业在2020年迎来政策东风，“双碳”目标提出后，氢能的战略能源地位得到正式明确，全产业链进入前所未有的快速发展期。
赛克赛斯氢能加快研发节奏，不断开发出体积更大、产氢效率更高的PEM电解槽，以适应未来能源用氢的需求。截至目前，公司在研的最大膜电极有效面积已达15000平方厘米，能实现单槽1000Nm3/h的产氢量，是全世界有效面积的最大、产氢效率最高的产品之一。
PEM制氢技术优势渐显
作为国内PEM龙头，赛克赛斯氢能不仅在催化剂和膜电极制备方面具有优势，还在长期的实际测试中验证了产品的可靠性。公司能够根据应用需求定制不同型号的电解槽，从小型到大型全覆盖，性能指标出色。公司在经历了多年的技术积累阶段后实现了产品的规模化生产，为PEM电解制氢走向更广阔的工业和能源领域奠定了基础。
事实上，随着研发摸索不断产生成果，PEM技术相较于碱液制氢技术的优势逐渐开始显现，主要包括三个方面：具备全生命周期经济性、与可再生能源耦合更好、氢气纯度高延长燃料电池寿命。
丁孝涛解释称，尽管PEM技术的初始设备投资成本大约是碱液制氢的3-5倍，但由于它的后期维护成本低、使用寿命长，全生命周期运行成本可以与碱液制氢达到持平。
在下一步大规模绿氢氨醇制取中，使用风光等可再生能源作为绿电来源已成为清洁能源的关键，而绿电的间歇性和波动性对电解设备提出了更高要求。相比碱液制氢设备启动响应慢、在波动电力下易氢氧互串等问题，PEM能够更好地与风电、光伏发电等绿电耦合。这一方面实现了能源生产零碳化，另一方面能够更好地享受廉价绿电带来的降本优势。
赛克赛斯氢能通过研究还发现，PEM设备产氢的纯度高，杂质种类少，不含一氧化碳、硫化物等会对燃料电池造成不可逆损害的杂质，可显著延长氢燃料电池的使用寿命，是氢燃料电池或其他高品质用氢场景的最佳供氢方式。
丁孝涛称，在实验室条件下，使用PEM技术生产的氢气，氢燃料电池的运行寿命可达8000-10000小时，是使用国标氢气所能达到寿命的两倍多。这一发现坚定了公司对PEM技术路线的信心。
产业化之路初启，PEM未来三大研发方向
2023年，在《氢能产业标准体系建设指南(2023版)》等政策利好推动下，氢能产业链继续快速发展。其中，碱液制氢领域热度显著升高。根据索比氢能网统计，2023年有25个电解槽订单确认中标信息，总中标量达1453MW。
PEM制氢也逐步进入公众视野。目前欧美已出现多个10MW及以上级别的PEM电解水制氢项目，行业主要参与者有Proton Onsite、Plug Power、ITM Power、康明斯、西门子、东芝等，其中多家企业2023年产能达1GW以上。
国内布局PEM技术的企业也在增多，除了赛克赛斯氢能，还有长春绿动、中电丰业、阳光氢能等，电解槽规模集中于50-200Nm3/h，技术参数正逐步接近海外领先企业。
2023年，国内规模较大的PEM制氢项目包括国电投大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目（50MW）和金麒麟风力制氢项目（6MW）等，设备供应商分别为长春绿动和赛克赛斯，其他项目规模较小，均在1-2.5MW区间。总体来看，PEM制氢还处于发展早期，市场规模较小，行业集中度不高。
据悉，PEM电解槽的市场化推广面临的挑战，主要包括设备成本较高和当前绿氢消纳场景不明朗。一方面，制氢行业正涌入新参与者，面对相对昂贵的PEM设备价格，企业在权衡后，出于保守考虑大多选择碱液制氢路线；另一方面，氢能全产业链仍处于早期发展阶段，氢制备的电力成本和氢储运成本仍然偏高，大规模产氢后如果没有用量和价格合适的下游需求进行消纳，企业将面临亏损。
丁孝涛对下一阶段PEM制氢的市场推广持保守乐观态度。他预计，2026年PEM制氢的市场占比有望超过20%，2030年绿氢的成本能与灰氢持平。同时他也强调，这一目标的实现需要全产业链的共同推动，尤其是电力成本的下降。
关于未来PEM电解槽的研发方向，丁孝涛认为主要有三点。
第一是降低催化剂成本。目前PEM电解槽成本主要集中在催化剂上，需要铂、铱等贵金属。公司正与科研单位合作，致力于提高贵金属催化剂的利用率，以减少载量。通过这种方式，未来两三年内PEM电解槽成本有望实现30%-50%的下降。
第二是提高电流密度。通过提升膜电极的电流密度，可以在不改变膜电极面积和电解槽层数的情况下，提高产氢量，实现降本。这同样需要在膜电极和催化剂的研发上取得突破。
第三是适当增加膜电极层数。大型化是当前PEM电解槽的发展趋势，然而需要注意的是，虽然增大膜电极的面积可以提高产量，但设备成本也会随之增加，因此最合适的方式是适当增加膜电极层数，找到膜电极层数和膜电极面积之间的最优匹配，以实现单位设备成本下的最高产氢量。
“行业在等待市场成熟，PEM制氢技术和绿氢产业的未来将充满机遇。”丁孝涛称。
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郝文然
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