在已經進入綠氫時代的今天，用“氫”作為綠色能源載體的想法已經并不新鮮，水電解制氫已經存在了兩百年。



然而，與石油和天然氣等一次能源相比，其成本較高，限制了其大規模商業應用。當前從碳基能源的轉變使綠色氫重新成為人們關注的焦點，尤其是作為一種替代能源載體，用于對電氣化具有挑戰性的應用，如重型車輛運輸和工業。
氫氣有可能以經濟高效的方式對這些部門進行脫碳，這就是為什么世界各地的主要經濟體已經撥出數十億美元用于發展綠色氫的關鍵使能技術。〔1〕在歐洲聯盟（歐盟）中，當“歐洲綠色協議”的基礎使氫成為優先關注焦點時，歐洲工業協會氫歐洲宣布了這一點。目標是到2030年部署80 GW的綠色氫氣生產能力。

與此同時，二氧化碳價格的上漲、可再生能源成本的下降以及電解槽成本的不斷降低，使得綠色氫氣越來越容易實現。根據國際能源署的數據，到2030年，低碳氫氣的需求量將接近800萬噸/年


電解——邁向低成本綠色氫氣的關鍵


綠色氫氣是通過水電解產生的，水電解是一種將水和可再生能源轉化為氫和氧的技術。綠色氫氣的生產成本主要取決于可再生能源的成本。盡管LCOE顯著降低，電解效率進一步提高，但預計這一情況在未來不會改變。第二個最重要的成本驅動因素是資本支出：2020年，電解槽系統成本約為1000美元/千瓦，學習率約為15%，預計到2030年，成本將降低約60%（見圖1）。

資本支出減少主要是由于組件和系統制造的工業化和自動化（規模經濟）以及技術創新。僅催化劑涂層膜就占系統總成本的約11%。[3]鉑負載量的降低和成本效益膜的開發是降低成本和釋放綠色氫氣市場潛力的關鍵。


圖1:1MW電解槽的預期電解槽學習曲線和2020年資本支出分割


聚合物膜——綠色氫氣的成本和性能驅動因素


膜是電解槽和燃料電池中最重要的成本和性能驅動因素之一，因為它在整個系統成本中占有很大份額，并決定了系統的效率、功率密度和壽命。膜的主要工作是傳導離子，同時保護系統免受電氣短路，然而，原始設備制造商也關心許多其他關鍵性能指標，如氣體交叉、水管理、尺寸穩定性以及化學和機械穩定性。聚合物電解質膜（PEM）通常包括聚合物主鏈和帶負電的離子交換基團。可添加額外的添加劑和增強劑，以提高穩定性和降低氣體交叉。


圖2：水電解用質子交換膜的工作原理

電解和燃料電池中使用最廣泛的膜類別是基于全氟磺酸（PFSA），一種通過四氟乙烯和全氟磺酰乙烯基醚共聚產生的昂貴全氟離聚物。生產路線的高度復雜性和中間體的毒性限制了降低成本的潛力，并減緩了生產能力的擴大。事實上，全球只有少數制造商處理PFSA合成所需的高爆炸性前體。已經制定了多種策略來降低傳統PFSA膜的成本。

例如，W.L.Gore將PFSA離聚體與成本較低的聚四氟乙烯（PTFE）混合，這直接減少了PFSA需求，增強了膜，降低了氣體交叉。戈爾Select®膜已成為燃料電池的最先進材料，并大規模應用于久負盛名的豐田Mirai汽車。其他幾個PFSA膜開發商也采用了類似的“強化”方法，如Chemours（前杜邦）、3M、Solvay和Enginer實驗室?；蛘?，可以使用非氟化或部分氟化聚合物來降低生產成本。示例包括巴拉德電力系統公司的前BAM系列和巴斯夫公司的Celtec®-系列。盡管有許多商用膜技術，但仍然需要低成本的膜，其性能和耐久性水平與PFSA相當。


綠氫膜市場的切入點


進入綠色氫膜市場需要市場和技術專業知識。技術專長理想地涵蓋不同的領域，如聚合物制造、化學合成和薄膜加工。因此，綠色氫膜為各種新進入者提供了市場機會：

1.聚合物制造商：各種氟化聚合物和聚烯烴可用作燃料電池和電解槽膜的聚合物主鏈和增強材料。聚合物要么直接官能化，要么與離聚體混合以產生離子導電性。

2.化學/工程材料參與者：膜或膜前體的制造及其功能化可利用其他（專業）化學生產工藝和工程材料中使用的多種基礎設施。

3.薄膜/箔材加工行業：綠色氫膜通常通過溶液澆鑄或擠壓生產，以達到微米級的厚度。


[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