海倍思创新论坛 | 李光福：《阴离子交换膜水电解制氢技术进展、挑战及展望》

佛山仙湖实验室 燃料电池结构组件研究室主任

上海氢鸾科技有限公司 首席科学家

李光福

我是2007年开始从事氢能的，期间也经历了很多，但是一直做氢能，也是为数不多的，因为我是从大连化物所毕业的，也是氢能发起的地方之一开始从事氢能的，在美国做了5年的博士后，现在在仙湖实验室工作。我们的研究室其实就是做膜电极，膜电极我们知道是燃料电池和电解池里面的心脏，和人一样的，活下来就是靠心脏支撑整个人的日常生活，电解池体系也是一样的，主要要靠膜电极。

我今天的报告题目阴离子交换膜水电解技术，这个题目比较大，我主要是结合我们自己的研究和我自己从事氢能行业10多年的心得来告诉大家，我讲的尽量讲简单一点，因为我PPT可能做差了，我尽量把它简化。

我的报告就是分三个方面，第一个背景意义，大家都知道在“双碳”背景下，氢能的发展是至关重要的，决定了“双碳”能不能达标的一个重要载体，为什么这么说？我就简单说一点，氢能够取代石油，油能发电，能变成动能，让我们汽车可以使用，也能生成热，所以一般的话只有石油有这个功能。现在氢有这个功能了，所以我们说氢能取代我们的石油，我们国家石油几乎靠进口的，如果发生世界大战，我们能源储备永远是隐患。发展氢能的话我们可以提高我们的能源安全。发展氢能的话还有一个好处，就是它全程没有碳排放，目前我们在工业、交通、建筑以及电力行业碳排放的压力是非常大的，所以我们要发展氢能来降低碳排放。

氢能到底有哪些优点？我就不重点说了，在我们汽车行业，现在我们有发展锂电，传统的油车还正常在跑，氢能车未来乐观估计在20%到25%之间，也就是说我们通过发展氢能在汽车行业的降碳可以达到一个非常可观的水平。氢用的多导致了另外一个市场，就是氢从哪里来？制氢行业的人都希望制氢行业能到一个千亿级甚至更大的市场，我们的研发才有保障，我们的市场所需要的价值，我们氢的价值才能体现出来。

氢为什么说是能源低碳转型？因为它是一个中间的部分，它既可以把太阳能、风能、水能这些可再生能源利用起来，通过水电解来生成氢，然后氢的用途又可以制高附加值的这些氨、甲醇之类的，也可以作为航空燃料，燃料电池汽车等一些燃料，还可以作为家庭用电、家庭取暖等等，所以说氢作为一个重要的载体，在能源低碳转型这方面一定会发挥越来越大的作用。

当然氢不是万能的，氢的缺点我们大家都知道，第一个就是太贵了，贵就是体现它制氢成本贵，还有一个用氢、加氢也困难。当然我们知道氢一旦发生爆炸危险隐患也是挺大的，不管怎样这就是我们作为一个科研人的使命，让我们大家都用的起氢。

从去年下半年9月份左右的时候，习主席在黑龙江视察提到了一个新质生产力，新质生产力现在是一个新时代很热的名词，氢能我认为就是发展新质生产力的一个重要关键，尤其是绿色氢能肯定就是一种新质生产力。要发展氢能的话，要有这些因素的驱动，有政策、技术、人才、基础建设、应用示范等等。这里面就重点讲一方面，就是技术创新，政策赋能我就补充一点点，结合我自己的一些经历，因为我是广东省的省人大代表，我们南海区政府和我们实验室这边，通过省人大代表的渠道向省里面提了两个建议，第一个建议就是要解决氢源的问题。我们当时提到了建设输氢管道。第二要解决制氢难的问题，就是制氢成本高的问题，希望能开放非化工园区制氢，把整个氢的成本降下来。这两个建议其实也是得到了省人大常委会特别的关注，也得到积极的回复。尤其是第二个建议，开放非化工园区制氢，现在也是提交到了全国政协作为一个提案去提，我相信很快就会有一些实质有效的措施来促进我们放开氢能的生产。我们也知道今年在内蒙古全省都放开了非化工园制氢。山东也出台了政策，打造在高速路推行的氢车免高速费，也就是说降低我们用车成本。

我们有句话，中国氢能看广东，广东氢能佛山，佛山氢能看南海，为什么这么说？我们南海氢能的企业其实覆盖了全产业链，制氢、用氢、加氢全产业链，我们区政府在今年3月份在我们实验室的主办的仙湖科技大会上面发布了南海区的氢能规划，在2030年全力打造氢能与氢氨融合的千亿级产业集成。

可能有些人对数字不那么敏感，我就举个例子解释千亿。今年四五月份的时候，在江苏省出台了氢能规划，他们是全省在2030年氢能方面的产值是到1000亿，我们南海要做到这个产值，体现了我们南海的担当与气魄。当然我也相信市领导和区里领导，包括一些很多企业也是非常有信心立志实现这个目标的，前不久区里面也组织了氢能方面的督办重点提案，也体现了我们区政府对氢能行业的高度重视。所以说我们氢能行业政策赋能这方面，广东好、佛山好，南海好，是走在全国的前列的，也是我们发展氢能的底气。我们传统的氢能人为氢加了三个颜色，灰氢、蓝氢、绿氢，其实真正的氢是没有颜色的，我们的初衷是发展绿氢，就是要降碳，如果氢都带来了碳，那发展氢能产业是没有意义了。但是我们传统说的绿氢大部分是来自于可再生能源电解水，现在的绿氢占比是挺低的。我上午听到了一个报告是1.5%左右，所以说我们电解水制绿氢行业的前景还是很大的，目前遇到的挑战当然也是很存在的。

这是我昨天晚上搜到了一个图，这张图概括的点非常多，重点就看这三个方面。一个是电解技术这方面，我们知道的是传统碱槽占一个很重要的主流位置，成本相对来也是有优势， AEM是第三代电解技术。从电解水装机容量来看的话，每年都在翻，到2030年，已经基本上立项的有230个GW左右。

接下来示范加投产运营，直到我们工业大规模的适配生产，我们通常说的PEM和ALK现在就是在一个9级的附近，关键的技术指标其实有这些，我就重点说几个指标，一个电流密度，质子交换膜的电流密度要到多少，我们希望是到6安倍/平方厘米，这样我们的装置可以做的更小，装置成本可以降低。AEM我希望是PEM的1/2，也就是从6安倍降到3安倍/平方厘米，这个完全是可以实现的，这不是说额外的，是我们正常的工作电流密度要到3安倍/平方厘米，电压范围在2伏以下。

还有一个就是低成本，现在碱槽的成本是每千瓦在2000左右，质子交换膜的成本应该是3到5倍之间，也就是说7000到1万。碱槽AEM大概是碱槽的一半，质子交换膜的1/2，也就是说它的成本优势已经慢慢体现出来了，这个优势体现还是在量不是很大的时候。进一步降低成本的优势，空间是非常大的。

怎么把电流密度提高到3安倍/平方厘米？要降低极化，我们通常说的极化有三种极化，OHM就代表着欧姆极化。第二个就是活性极化，第三个浓差极化，降低了这三个极化，我们可以进一步降低电解效率，提高电流密度。正常欧姆极化可以改进一些电导率，物质极化的话就是水的传输，气体的传输，努力做到水气的传输阻力几乎没有，像我们正常跑的高速公路车一样的畅通无阻，把阻力降低。还有一个不可忽视的就是活性极化，活性极化体现的我们为什么要发展催化剂，发展催化剂的作用，其实就是把活性极化，从一开始把顶点降低，把这个线整体拉低，我们的效率就提高了，从活化着手要重点发展催化剂。

下一张图就更深刻了，水怎么传的，气怎么走的，简单说一点，就是要关注这个界面问题，有两个界面，一个是催化层跟膜之间的界面，另外一个是气体传输层跟催化层之间的两个界面。我们技术研究就是改善两个界面。第二个方面的话关于极化方面我们做了哪些工作，极化方面改善，还有一个我们在成果转化落地这方面，我们又有哪些新的研究进展和企业上的发展。

研究的成果其实涉及到很多单位，我就不致谢这些单位了，这都是我有工作的地方或者曾经学习的地方，现在也有孵化的公司。我就按照这个顺序，先讲理论基础。

我们仙湖实验室给我们研究室的命名就是人燃料电池结构组件研究室，归根结底就是做膜电极，膜电极有三个应用重点，一个是燃料电池的膜电极，一个是电解水膜电极，电解水两种，一个是PEM，一个是AEM，发展是四个方面，一个是从基础科学、关键材料、制备工艺到应用验证这方面，这方面可能就是跟项目申报书一样的，最终制备的电极好不好用，要解决的东西其实大部分是汇集到这里面。

膜的话一个制备、一个性能，还有关键技术有哪些，这个PPT就介绍了一下，这是我们实验室自己的设备，现在膜电极要规模化制备是降成本的一个关键因素。但是要规模化的话，最好是双面直涂，我们实验室发展的双面直涂的工艺，这是我们的一个膜电极的产品，设计的关键参数，重点要强调AEM是非贵金属的，就是载量为0。通过改进界面提高它的材质性能。

我们的关键技术第一部分就是刚刚说的材料发展技术，第二部分就是理论方面的一些发展，还有一个就是我们时刻要紧跟国际潮流，对标国际的先进水平跟先进指标，我们的技术才能慢慢的发展。

很多人感兴趣就是阴离子交换膜，不过很遗憾的是阴离子交换膜不是我的研究重点，我就想说一下怎么去做阴离子交换膜，怎么解决阴离子交换膜现在最大的一个问题，就是耐久性的问题，要解决耐久性的问题，从化学来说就是要解决树脂的问题。还有一个就是你开发的这款膜，反复的通过实验来验证总是耗时、耗力、又耗成本的。我推荐AI技术，通过计算科学把我们研发的成本代价，时间代价，人力代价尽力降到一个最低。

另外我们发展一款膜的话，我们一定要注重的是工艺是能够量产的，不是说我们为了实验室的研究，对我们最终的工业化贡献几乎是没有也是不行的，所以我们瞄准的就是批量化制备，要解决的就是一致性问题，一致性问题体现在我不同批次的膜要是一样的。从单个膜来说的话，不管多大，我厚度的均匀性要很高，正常的话我们是希望做到一微米及以下，电解池膜的话，现在我们主力是50微米，要做到耐压性的话，至少要做到75纳米级以上才可以，也就是说我们厚膜的均匀性要得到保障。

讲一些理论上的东西，我们通过在液态体系里面来看，Nafion依旧是性能最高的，而且高很多，也就是说我们有时候静下心来没都得到好的数字，没找到好的一种膜的时候，我们反过来想想质子交换膜的这些东西能不能用起来，就是给我们一种思路，不一定是对的，有时候确实能给一些有益的思考。

另外一个的话讲极化，我经常说电解里面有两个反应，一个是阴极的析氢反应，另外一侧就是阳极的析氧反应，有时候我们研究人的精力时间、或者是我们的项目是有限的，我们研究哪一侧，这张图给出了一个答案，就是研究阳极侧，为什么说阳极侧，好多专家都得出一个结论，目前来看在阳极的极化仍然是重点。阳极极化体现在两个方面，一个就是刚刚说的活化动力学，活化动力学在这个曲线来看拉的太缓慢，要把这条曲线拉低才行。另外一个就是传质，要提高它的传质性能，降低能差极化。毕竟氧比氢大，这就是氧不好传的一个原因。

我做了一些理论工作，我上午听了一个报告给了非常大的启发，理论不要做深，也不要做的太惟妙惟肖、太好看。理论有用又行，有用体现在两个方面，第一个你这个理论能解释你实验的现象，能说明你材料的性能好在哪方面，为什么好？这就是理论去解释。另外一个就是你通过理论的发展，理论的创新，能反馈到你材料或者系统性能的一个改进，这两方面就行。

我们提出了双电层效应，通过双电层的反应，我们解释了不同的测试材料、一些条件，电解质的影响，我们做了一个非常好的尝试，我们最后制备了新的催化剂，催化剂的性能也是非常好的。在制备里面，我们有效地控制了催化剂的形貌，另外制备的催化剂性能在酸性碱性里面一定还是非常好的。人家说为什么又发展贵金属？有时候又反过来看一下，质子交换膜电解水做的好，可以给我们一些有益启发。我们做铱基材料的XRD氧化物的图，有两个比较明显，一是101，一个是110，传统110的峰比较大，我们这个是没有101的峰，而且我们从CV曲线来看，通常这个峰是基本上平的，但我们这个的话是个尖峰。

我们当然必须发展一条非贵金属催化剂，一个制备方法，包括形貌的控制，从这些表征说明了这个锌已经成功的掺杂到电极里面了，不是一个混合，是一个结晶固溶体的，我们通过后面的电化学测试，这里面电化学测试有两种，最后加锌掺杂了，我们的性能是可以达到最优的。我们确实通过计算来发现了锌的掺法，增强了吸附，促进了析氧反应。

我们现在重点一个工作就是传质这一块，就是多孔传输层，PTL支撑电解槽结构，所有水、气、热、电传输通道，对电解效率、成本、耐久性有重要影响。我这张图用了很多心思去总结，后面其实还有更细化了，这张图我就简化一下，多孔传输层研究兴趣和关注点是逐年是在增加的，非常明显，AEM也有明显的优势，但是现在AEM的体量还是挺小的，都是在10篇左右，PEM就是到50篇、60篇，今年也到60多篇了。从这个图来看，AEM发展的年代还是比较短的，2027年左右其实也是陆陆续续才得到关注，发展PTL一定要关注界面的东西。深入了解PTL—流场结构匹配机制，沿着水流动方向见效流道的深度和增加PTL的孔隙率均能提高电解槽性能，孔隙率越大，性能越好。

谢谢大家。