聚合物膜：降低绿氢成本的关键

在已经进入绿氢时代的今天，用“氢”作为绿色能源载体的想法已经并不新鲜，水电解制氢已经存在了两百年。



然而，与石油和天然气等一次能源相比，其成本较高，限制了其大规模商业应用。当前从碳基能源的转变使绿色氢重新成为人们关注的焦点，尤其是作为一种替代能源载体，用于对电气化具有挑战性的应用，如重型车辆运输和工业。
氢气有可能以经济高效的方式对这些部门进行脱碳，这就是为什么世界各地的主要经济体已经拨出数十亿美元用于发展绿色氢的关键使能技术。〔1〕在欧洲联盟（欧盟）中，当“欧洲绿色协议”的基础使氢成为优先关注焦点时，欧洲工业协会氢欧洲宣布了这一点。目标是到2030年部署80 GW的绿色氢气生产能力。

与此同时，二氧化碳价格的上涨、可再生能源成本的下降以及电解槽成本的不断降低，使得绿色氢气越来越容易实现。根据国际能源署的数据，到2030年，低碳氢气的需求量将接近800万吨/年


电解——迈向低成本绿色氢气的关键


绿色氢气是通过水电解产生的，水电解是一种将水和可再生能源转化为氢和氧的技术。绿色氢气的生产成本主要取决于可再生能源的成本。尽管LCOE显著降低，电解效率进一步提高，但预计这一情况在未来不会改变。第二个最重要的成本驱动因素是资本支出：2020年，电解槽系统成本约为1000美元/千瓦，学习率约为15%，预计到2030年，成本将降低约60%（见图1）。

资本支出减少主要是由于组件和系统制造的工业化和自动化（规模经济）以及技术创新。仅催化剂涂层膜就占系统总成本的约11%。[3]铂负载量的降低和成本效益膜的开发是降低成本和释放绿色氢气市场潜力的关键。


图1:1MW电解槽的预期电解槽学习曲线和2020年资本支出分割


聚合物膜——绿色氢气的成本和性能驱动因素


膜是电解槽和燃料电池中最重要的成本和性能驱动因素之一，因为它在整个系统成本中占有很大份额，并决定了系统的效率、功率密度和寿命。膜的主要工作是传导离子，同时保护系统免受电气短路，然而，原始设备制造商也关心许多其他关键性能指标，如气体交叉、水管理、尺寸稳定性以及化学和机械稳定性。聚合物电解质膜（PEM）通常包括聚合物主链和带负电的离子交换基团。可添加额外的添加剂和增强剂，以提高稳定性和降低气体交叉。


图2：水电解用质子交换膜的工作原理

电解和燃料电池中使用最广泛的膜类别是基于全氟磺酸（PFSA），一种通过四氟乙烯和全氟磺酰乙烯基醚共聚产生的昂贵全氟离聚物。生产路线的高度复杂性和中间体的毒性限制了降低成本的潜力，并减缓了生产能力的扩大。事实上，全球只有少数制造商处理PFSA合成所需的高爆炸性前体。已经制定了多种策略来降低传统PFSA膜的成本。

例如，W.L.Gore将PFSA离聚体与成本较低的聚四氟乙烯（PTFE）混合，这直接减少了PFSA需求，增强了膜，降低了气体交叉。戈尔Select®膜已成为燃料电池的最先进材料，并大规模应用于久负盛名的丰田Mirai汽车。其他几个PFSA膜开发商也采用了类似的“强化”方法，如Chemours（前杜邦）、3M、Solvay和Enginer实验室。或者，可以使用非氟化或部分氟化聚合物来降低生产成本。示例包括巴拉德电力系统公司的前BAM系列和巴斯夫公司的Celtec®-系列。尽管有许多商用膜技术，但仍然需要低成本的膜，其性能和耐久性水平与PFSA相当。


绿氢膜市场的切入点


进入绿色氢膜市场需要市场和技术专业知识。技术专长理想地涵盖不同的领域，如聚合物制造、化学合成和薄膜加工。因此，绿色氢膜为各种新进入者提供了市场机会：

1.聚合物制造商：各种氟化聚合物和聚烯烃可用作燃料电池和电解槽膜的聚合物主链和增强材料。聚合物要么直接官能化，要么与离聚体混合以产生离子导电性。

2.化学/工程材料参与者：膜或膜前体的制造及其功能化可利用其他（专业）化学生产工艺和工程材料中使用的多种基础设施。

3.薄膜/箔材加工行业：绿色氢膜通常通过溶液浇铸或挤压生产，以达到微米级的厚度。


[1] Examples in Europe include Spain (EUR 9B), Germany (EUR 9B), France (EUR 7B) or Italy (EUR 5B)

[2] IEA (2020), Hydrogen, IEA, Paris www.iea.org/reports/hydrogen

[3] National Renewable Energy Laboratory Technical Report 2019