行业焦点｜PEM制氢技术大有可为，赛克赛斯推开绿氢赛道大门
3月3日，全球目前最大的氢能飞机首飞。该氢能飞机是由美国氢能航空初创企业“环球氢能”公司（Universal Hydrogen）研制的氢燃料电池电推验证机。目前，氢能已成为全球多个国家加快能源转型升级、培育经济新增长点的重要战略选择。
目前,全球已有20多个国家和地区发布了氢能发展战略,电解制氢产业也得到了快速发展，ALK、PEM已开始应用。
2021年国内出台积极的产业扶持政策，2022年欧洲也启动氢能产业扶持政策与补贴方案，参考三方统计，2022年全球电解槽出货大幅增长到接近1.5GW，其中国内增长到700MW，预计未来还将保持高速增长。
依据反应原理差异，电解制氢可分为碱水电解ALK、质子交换膜纯水电解PEM、固体氧化物水电解SOEC等方案，其中ALK设备投资更低、PEM启停控制等灵活性更优，更好的兼容电源波动性，配套清洁能源发展的潜在空间大。而SOEC、AEM还处在研发阶段。
01
PEM:极具发展前景的水电解制氢技术
PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等（图1）。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。
与碱性电解水制氢相比，PEM水电解制氢工作电流密度更高（˃1 A/cm2），总体效率更高（74%~87%），氢气体积分数更高（>99.99%），产气压力更高（3~4 MPa），动态响应速度更快 （表2），能适应可再生能源发电的波动性，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前PEM水电解制氢技术已在加氢站现场制氢、风电等可再生能源电解水制氢、储能等领域得到示范应用并逐步推广。
PEM制氢相比于传统碱性水电解制氢有以下优点：
1.纯度高、无污染
PEM制氢采用的是质子交换膜固体电解质，产生的气体无需进行脱碱处理，且分子级微孔的离子膜厚度很小，不易产生氢反渗透。PEM型只需要纯水，不需任何添加物，没有腐蚀性液体，从而对坏境无污染，同时气体纯度也高；而传统碱性电解液中需要添加15%NaOH或30%KOH，因此电解液腐蚀性强，易产生冲液污染负载管路。
2.转换效率高
PEM型的催化电极属于分子级微孔，紧贴于离子膜两边及其内部孔道间，是一种零极距催化电极，它的优点是反应面积大，转换效率高；而传统碱性的电极间有小距离限制，极间电阻大，导致电流变大，发热量高，转换效率低。
3、电解槽重量轻、体积小
PEM型的电解槽内两级室的集电器结构紧密且有弹性，从而使得电解槽重量轻、体积小，重量仅是相同产氢量的普通电解槽的1/3，优点是零极距，槽内阻小；而传统碱性电解槽内极室的集电器没有弹性，从而电能热损失高，转换效率低。
4、适应可再生能源发电波动性
可适应可再生能源发电时的波动性。PEM电解水制氢的系统响应速度快，适应动态操作，这非常适用于可再生能源如风能、太阳能输电的不均匀性、间歇性、波动性。
从技术角度考虑，其采用的电解池结构紧凑、体积小、利于快速变载，电解槽效率高、得到的气体纯度高、所需能耗低，安全可靠性也同时得到大大提高，更适合可再生能源的波动性，因此，PEM水电解技术被誉为制氢领域极具发展前景的水电解制氢技术之一。
02
氢能政策指引清晰，深度参与“双碳”
过去十几年间新能源快速增长，2022年国内风电、光伏、水电电量贡献合计超过25%。区别火电、核电等可控电源，水电、风电、光伏存在不同周期的波动性。风电、光伏等存在分钟级、小时级的短周期波动，同时受水、风、光等自然资源的月度调整，存在季节性的长周期变化。解决间歇波动能源的消纳越加迫切，可再生能源+电解制氢的消纳模式重要性也在凸显。
1、电解制氢对新能源更友好宽容。
氢可由水经电解制得，且电解制氢对输入电能的质量要求远低于电力系统，ALK、PEM等电解方案允许电源在较快的时限内启停、功率波动等。
电解制氢对新能源更好的兼容度，配合实现新能源消纳，并将深度参与能源、工业体系的脱碳进程：
1
氢作为能源介质：由电解实现风光电力能源转化为氢，配合氢储运，在用能高峰时段（时间维度）、用能密集区域（空间维度）再由氢发电，实现氢储能。相较其他储能方案，氢储能特征为时间跨度更长，容量更大。
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氢作为工业原材料：除在电力系统应用以外，氢本身也是重要的化工材料，在石化、冶炼、电子等领域有广泛的应用。假设绿氢的制备、储运成本能进一步降低，将有希望替代原本的灰氢、蓝氢的空间，其应用场景将进一步扩大。
3
氢作为燃料应用：将氢气掺混进入天然气体系作为燃料供应，利用天然气管网运输，改变燃烧特性，降低碳排放，目前在欧洲已有多个项目运行。
2、氢能政策指引清晰。
2022年3月，国家发改委、能源局发布《氢能产业发展中长期规划2021-2035》，形成国内氢能产业发展的纲领指导。未来氢能将深度参与“双碳”进程：
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一方面是在储能、交运、发电领域扮演二次能源的角色，突破更多的应用场景，配合提升可再生能源应用比例；
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另一方面清洁氢在化工、冶金、工业领域也有巨大的发挥空间和减碳价值。
2023年1月，国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书(征求意见稿)》，再次强调了在未来能源体系架构中，氢能在交通和工业领域以及能源设施中的重要能源媒介作用。
地方政府层面也在不断加码。参考中汽数据统计2022年底国内已有23个省市发布省级氢能相关政策专题50余项。地方政策体现地区的资源禀赋、产业基础差异，其相应氢能产业政策更体现差异化。
03
赛克赛斯PEM制氢推开绿氢赛道大门
“PEM制氢路线和风光发电高度耦合，拥有确定性的适用场景，是未来5年最值得投资的细分行业之一。” 赛克赛斯项目总监黄方在2022高工氢电年会上表示，PEM制氢是确定性的绿氢主流路线，从未来的发展趋势来看，PEM电解水制氢设备市场是高度确定的十年百倍高增长赛道，潜力巨大。
山东赛克赛斯氢能源有限公司（简称“赛克赛斯”）成立于2007年，长期以来深耕PEM制氢系统研产，是PEM制氢行业的领军企业，也是国内唯一实现PEM制氢电堆全型号覆盖的公司。公司拥有国内最大的电解槽产能，具备全栈式自主可控技术，国产材料的使用率超过95%，并建立了严格的品控体系和供应链体系。
现阶段赛克赛斯的电解水制氢设备已广泛应用于高端实验室、电子半导体厂、电厂氢站、制氢站、氢储能等领域，全系产品通过CE、Rohs认证，公司自主研制的MW级PEM制氢单电解堆对标进口品牌，填补我国能源级PEM制氢装备空白。
近年来，赛克赛斯在PEM电解水制氢的技术研发、新产品推出和市场拓展等多个方面都取得了较大的进展。
技术研发方面，公司从2018年开始承担兆瓦级的固体聚合物水电解制氢技术；再到2019年参与起草了水电解制氢的国家两项标准，并牵头起草了PEM水电解制氢的团体标准；2021年公司与中石化、东岳未来氢能一起承接低成本PEM水电解关键制氢材料的国家重大专项；不久前，赛克赛斯获评为国家级小巨人企业。目前，赛克赛斯牵头申报的2022年国家科技部氢能领域重大专项也获得了公示。
截至目前，赛克赛斯通过30年的研发积累，已经掌握了全栈式自主可控技术，实现包括核心质子交换膜、催化剂和膜电极等关键材料、部件在内的核心技术和工艺的自主可控。
产品方面，赛克赛斯拥有从几十毫升每分钟到几百立方每小时制氢能力的全方位产品矩阵。在大标方产品方面，2021年公司第一个单槽1MW产品落地，2022年单堆5兆瓦PEM设备已经到了中试的阶段，今年年底会实现产品的落地。赛克赛斯追求产品的稳定性、安全性以及寿命验证。公司目前最早一批设备已经累计实现了12万小时的稳定运行，兆瓦级产品已经实况运行了4000多个小时，稳定性和可靠性得到充分验证。
市场拓展方面，赛克赛斯的多场景应用制氢设备已经出口了40多个国家和地区，在新能源场景下与头部客户合作密切，公司已经与国网、南网、中车以及国电投这些央企都建立了合作关系，目前公司正在建一个占地180亩的工厂，主要建设制氢膜电极的产线以及电解槽的产线，这样能让公司的年生产能力达到GW级。
“战略规划上我们预期会在2024年左右抢占大标方的市场验证，产品出海，实现全球化的产品销售。”黄方表示，到2025年多技术路线的发展，加上制氢上下游的业务拓展，赛克赛斯将实现PEM制氢在整个氢能领域的布局。
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