伴随着传统化石能源日渐枯竭、环境保护和碳中和日趋重视，氢能作为一种清洁能源被业界寄予厚望，因其具有能量密度高、来源丰富、应用广泛、环境友好且无碳排放等诸多优点，对于保障能源安全、改善生态环境以及促进能源结构转型升级具有重要意义，因此氢能又被称为“21世纪的理想能源”。值得一提的是，绿色氢能入选 2021 年度《麻省理工科技评论》“十大突破性技术”。然而，氢能的制取一直是困扰行业的一项挑战，如何实现经济、高效、绿色、便捷的氢能供应目标？固体氧化物电解（SOEC）和阴离子交换膜电解（AEM）法何时才能进入可商业化阶段？碱性电解制氢（ALK）未来是否仍是主流工艺？国产自主的质子交换膜是否已经成熟？为探究以上问题，12 月 1 日，以“能源新路线探究之‘氢能制取’”为主题的第二期络绎科学产学研开放麦活动在线举办。清华大学化学工程系长聘教授王保国、南开大学电子信息与光学工程学院教授罗景山、险峰长青投资副总裁杨润心、刻沃刻科技创始人易建华、中科创星高级投资经理王玮旸等学术界、产业界和投资界的嘉宾围绕氢能制取的技术发展现状、生产工艺、瓶颈突破以及商业化等多个层面进行了深入探讨。
近 20 年来，王保国课题组围绕膜分离和电化学工程的交叉领域研究，发展电化学工程学科，聚焦碱性膜电解水制氢、全钒液流电池、锌/空气电池材料与装备技术。此次活动首先介绍了电解水制氢的一系列技术路线，如碱性水溶液电解、质子交换膜电解、固体氧化物膜电解、碱性膜电解、酸碱双性膜电解等。在王保国看来，碱性膜电解水制氢具有一系列技术优势，“首先，能够快速启停，适应可再生能源发电的波动性；其次，无需使用贵金属催化剂，突破资源制约，降低造价；最后，能够提高电流密度，在降低造价的同时减少能耗。”王保国同时也期望能够找到更多业内合作伙伴，一起探索碱性膜电解水制氢技术。“以往是炼油，今后的目标是‘炼水’，让水和阳光变成明天的‘石油’。”作为《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”入选者之一，罗景山长期从事光电催化能源材料和器件研究，现阶段他实验室的研究方向主要围绕水分解制氢、二氧化碳还原以及钙钛矿太阳能电池。围绕氢能产业端，易建华介绍道，“目前公司专注于开发碱性膜制氢中的复合隔膜，产品已经过小试、中试，预计明年 2 月复合隔膜最大尺寸可扩展到 2 米，更好地满足市场需求。”在他看来，材料是制约技术发展的核心关键之一，具体到碱性膜制氢中的隔膜材料未来拥有很大的开发空间。杨润心曾就职于百度集团战略部和埃森哲咨询公司，长期关注新能源和硬科技方向早期投资。在他看来，氢能是实现碳中和至关重要的一个环节和手段，而制氢、储氢是现阶段需要着力解决和突破的挑战。“与此同时，我们也在整个氢能产业链中也进行全面布局，比如上游的电解水制氢、新型膜材料；中游的储氢；下游的燃料电池和应用等。”他补充说。王玮旸专注于新能源、电力和材料方向的早期创业投资，他表示，“氢能是在‘双碳’背景下的终极解决方案之一。氢能与碳捕获联合或将可以构建完整的‘零碳’循环技术路径。”
随着光伏的普及，绿电绿氢成本降低，电解法将成为未来制氢的主要技术手段，其中碱性膜电解水制氢是当前主流工艺。在王保国看来，碱性膜电解水制氢兼具先进性和未来性，拥有较好的应用前景，但该技术起步较晚、困难最多，现阶段市场尚未成熟。针对碱性膜电解水制氢的难点，“亟待解决关键材料和装备问题，并实现批量化制造，降低装备建设投入。”罗景山表示，“实现‘碳中和’发展氢能是一条必经之路。氢能具有‘零碳’属性。比如当今的钢铁产业大都是需要用碳炼钢，想要实现‘零碳’那将需要用氢炼钢。氢能的用途可能不止在燃料电池电动汽车方面，其工业应用场景可能比交通场景更为广阔。”他也看好碱性制氢的应用前景，“碱性制氢、质子交换膜制氢等在技术层面已有很长的发展历史，之所以未能实现规模化应用，主要是因为市场成熟度不高，而核心难点在于生产成本太高。”罗景山指出，“而基于阴离子交换膜的碱性电解槽能够实现纯度较高的氢氧分离，是一个未来发展趋势。”基于产业投资角度，杨润心表示，电解水制氢的技术路径选择是一个关键问题，先前国内主要依靠火力发电，未来的发展趋势是可再生能源，需要大力发展光伏和风能来替代传统的火力发电。在他看来，“更重要的一点是看到氢能在大环境下的角色和定位。氢能的作用主要体现在三方面，燃料、原料、储能。燃料方面，氢能热值较高且无碳排放，可替代传统化石燃料，应用于汽车、航空、船舶等；原料方面，主要应用于化工和钢铁工业中；储能方面，氢能或将成为未来一种储存能源的新型方式。”同时，他也指出，“碱性膜制氢的技术路线在短期内能够满足规模和成本两个关键指标，是一种比较好的技术路线。中长期而言，制氢产业一旦在上游形成规模自然可以带动成本的下降，下游用氢的需求增加，解决储运和成本问题，进而带动整个制氢全产业链的良性发展。”王玮旸则表示，“围绕氢能，技术的发展要与产业的发展相匹配。一般来说，技术研发有可能会超前于产业，但最终带来的价值与产业需求息息相关，若产业需求没有彻底爆发则技术往往难以落地。”他表示，目前还难以看出哪条制氢技术路线更优，能够看到的是整个能源系统演进的三条主线是清晰的：一是从中心化走向分布式，二是从单一能源形式走向多元化，三是从化石能源走向低碳、清洁能源。“所以，氢能未来将会在不同的场景有不同的需求及应用模式，随着下游需求的逐步增加，上游的技术问题都会迎刃而解。”作为产业端，易建华指出，“碱性膜制氢将会是未来十年的主流技术路线。其他比如质子交换膜制氢（PEM）技术成熟，但需要贵金属，成本相对较高；阴离子交换膜电解制氢（AEM）的技术成熟度还有待验证。然而，碱性膜制氢产业现阶段仍然没有相关标准，因此，相关标准的制定（国标化）是现阶段整个产业亟待解决的需求。”
目前，谈及学界在制氢环节的主要研究方向，罗景山介绍道，“除了电解水制氢，还有光解水制氢，包括光催化制氢、光电催化制氢、光伏电催化制氢等，以及目前比较前沿的甲烷裂解制氢技术。另外，从热力学角度，将水加热至超高温即可直接裂解为氢气和氧气。”在他看来，做研究就要胆大并勇于探索前沿，而做产业则要相对保守，需要综合经济性、稳定性等一系列要素。杨润心表示，目前的制氢技术路线比较多，匹配当前绿氢制备需要满足几个关键点，“其一，技术方法能否通过大规模、批量化的进行；其二，如何有效降低制造成本；其三，对于氢气纯度的要求。”综合而言，需要判断这些技术路线比较适合这些场景和要求。因此，不能脱离场景来评价一种技术路线是否具有潜力。王玮旸对此也表示认同，他说，“首先，将氢能作为能源进行应用其实还是一个很‘年轻’的领域，整个氢能市场也刚刚开始起步；其次，随着氢能下游应用场景的增加，制氢技术存在更多可能性，现阶段很难判断哪种技术未来能够‘一统江湖’；最后，目前的氢能产业链较为‘初级’，现在的很多假设很可能会因为基础的变化而变化，因此现阶段需要‘大胆假设、小心求证’。”他说道。对于应用场景，易建华表示，“做科研要进行多方面探索，而我们作为产业端，需要做符合国内消费市场的产品，把现有的确定的目标做到极致，进而实现成本的降低。”在他看来，“其实成本并不是核心问题，技术的稳定性以及规模化需求才是关键。相较于日本、美国等，国内的隔膜技术还存在一定差距，作为产业端肩负很大的使命，来开发更好的隔膜技术，缩短国内外差距，造福产业和社会。”
据公开资料显示，质子交换膜具有高质子传导性、高机械强度、高耐久性以及低气体渗透率等优良特性，其中，全氟磺酸膜（PFSA）是常用的电解水制氢用质子交换膜，最具代表性的是杜邦（科慕）公司开发的 Nafion 膜。在王保国看来，“膜的开发并不困难，关键在于全氟磺酸树脂制造，价格过高、产能不够是其主要制约因素。”所谓质子膜，又称阳离子交换膜，即导通氢离子的膜，其对材料的要求非常苛刻，既要耐酸，又要耐高温、耐氧化腐蚀等，还要导通离子快。想要实现突破，要在成膜机理上，实现源头创新，完成从零到一的转变，这才是破局的关键。”而在罗景山看来，Nafion 膜已经是一个非常成熟的工艺，作为应对方案，“我们可以开发新技术绕过其相关专利，另外，聚焦在目前不够成熟的阴离子交换膜领域，实现错位竞争也是一种方法。”他说道。在这一领域，相较于“弯道超车”，“变道超车”或许是更好的解决方案。杨润心则表示，下游需求决定上游生产方向，例如在产业尚未形成规模的时候上游企业生产的产品会滞销。“就国内而言，在资金、人才等方面有优势，产业化速度会更快。从投资角度，我们看重这个领域中的关键材料和关键器件等的突破，并且这个领域也非常适合国内市场，一旦实现突破，技术壁垒相对较高并在成本方面占据优势。”他说道。“现阶段国内的产业端已经实现了功能性隔膜产品‘从无到有’的转变，接下来需要进一步精进提升性能，进行技术攻关解决更多功能的方面的问题，同时，很多关键技术问题突破也同时需要社会、人才以及政府层面的联合才能做出更好的成绩。”易建华说道。如今，质子交换膜工艺中的电极催化剂也被广泛研究，其中阳极催化层目前最为先进的催化剂是氧化铱，但国内铱的持有量较低。“就目前而言，在强氧化和酸性环境下能够保持稳定的金属只有铱，因此寻求更高活性的铱或在不改变活性前提下减少铱的用量。”罗景山指出。“虽然目前市面上还没有出现真正产业化、寿命持久且不依赖贵金属的催化剂，但我非常有信心随着技术发展不久的将来即可实现。”易建华补充说。“质子交换膜是制约氢能发展的痛点之一，在我看来，开发新材料体系其实是更值得探索的空间。”王玮旸说道，“氢能是一个比较早期的行业，在刚起步的阶段会呈现出百花齐放的发展态势，产业的持续发展不仅需要科研端的开拓，也需要产业端的牵引以及国家政策层面的支持。就国内而言，经过多年的‘预热’，今年才逐渐开始进入到‘起跑’的阶段，未来，新的材料体系才是重点，而材料体系的建立才标志着国内氢能产业正式进入成熟阶段。”