2022年，北京冬奧會(huì)的舉辦吸引了來自全球的目光。其中，近百年冬奧史上首支以綠氫為燃料的火炬在張家口賽區(qū)熊熊點(diǎn)燃，成為本屆冬奧會(huì)的一大亮點(diǎn)。氫氣，尤其是綠氫，也再次受到社會(huì)各界的關(guān)注。

氫氣，來源廣泛，熱值高，清潔無碳，可儲(chǔ)能、發(fā)電、發(fā)熱，靈活高效，應(yīng)用場景豐富，被認(rèn)為是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想能源載體，備受世界各國青睞。綠氫，則是指利用可再生能源電解水得到的氫氣，燃燒時(shí)只產(chǎn)生水。與以煤炭和天然氣為原料的灰氫和藍(lán)氫相比，從源頭上即實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳排放，具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高（通常在99.7%以上）以及副產(chǎn)高價(jià)值氧氣等特點(diǎn)，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色。

在碳達(dá)峰碳中和的背景下，低碳環(huán)保的“綠氫”已然成為當(dāng)下及未來制氫方式的主流選擇。其中，質(zhì)子交換膜（PEM）電解水技術(shù)因其無污染、無腐蝕、擁有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，同時(shí)有更寬的負(fù)載范圍和更短的響應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，與可再生能源耦合方面等獨(dú)特優(yōu)勢，成為適合未來能源結(jié)構(gòu)的制氫技術(shù)。

電解水制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。目前市場上主要有堿性電解（AWE）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解兩種技術(shù)路線。

堿性（AWE）電解水制氫

在此過程中，反應(yīng)發(fā)生在溶液（包含水和氫氧化鉀(KOH)液體電解質(zhì)）中的兩個(gè)電極之間。當(dāng)兩個(gè)電極獲得足夠的電壓時(shí)，陰極水分子吸收電子形成OH(氫氧根)離子和H?(氫)分子。氫氧根離子穿透KOH電解質(zhì)到達(dá)陽極，并在此處結(jié)合并釋放出額外的電子來產(chǎn)生水和O?(氧氣)。具有微米級(jí)孔的隔膜可防止氫和氧混合。

雖然使用堿性膜的系統(tǒng)成本較低，但它們在可再生能源應(yīng)用中易出現(xiàn)性能問題。堿性電解槽內(nèi)隔膜上的氫氧化物支持對(duì)電流輸入響應(yīng)緩慢，限制了電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電流密度低。隔膜的多孔結(jié)構(gòu)允許氫和氧在低密度下擴(kuò)散和混合，這限制了其工作安全范圍。堿性電解槽中使用的傳統(tǒng)電極往往具有表面積少、催化劑利用率低和相關(guān)的電壓損耗等問題。這些問題導(dǎo)致功率密度低，并且需要更大的系統(tǒng)來支撐電極。

質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫

在此過程中，PEM將質(zhì)子從陽極傳導(dǎo)到陰極，同時(shí)為電極提供電子絕緣。在兩個(gè)電極之間施加電位差（電壓）時(shí)，水分子在陽極失去電子，生成氧氣和質(zhì)子，質(zhì)子穿過質(zhì)子膜傳導(dǎo)流向陰極，在陰極與電子結(jié)合形成 H?。PEM僅允許帶正電的離子穿過，從而到達(dá)陰極。PEM具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性和氣體分離性。PEM作為固體電解質(zhì)，能有效阻止氣體交叉滲透和電子傳遞，提高電解槽安全性。

相比于前者，質(zhì)子交換膜水電解槽優(yōu)勢頗多:

與堿性電解槽相比，PEM電解槽的體積較小，因?yàn)樗茉诟叩碾娏髅芏认逻\(yùn)行。堿性水電解所需的占地面積可能是PEM水電解的十倍，這對(duì)空間有限的客戶來說，PEM水電解無疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

PEM電解水技術(shù)創(chuàng)新制氫新路徑，擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，是一種清潔高效的制氫方式。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)的成本也大大降低。隨著全球脫碳進(jìn)程的加速，PEM電解水制氫將是大勢所趨。

PEM電解槽主要部件有質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等。其中，作為水電解槽膜電極的核心部件，質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，而且還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。

Nafion?質(zhì)子交換膜

憑借高質(zhì)子傳導(dǎo)性、低氣體滲透性、高機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的化學(xué)耐久性等優(yōu)點(diǎn)，科慕公司的Nafion?質(zhì)子交換膜是目前市場應(yīng)用廣泛的質(zhì)子交換膜之一，其中尤以Nafion? 115和Nafion? 117系列質(zhì)子交換膜應(yīng)用享譽(yù)全球、備受認(rèn)可。

作為質(zhì)子交換膜發(fā)明者，科慕在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域耕耘已經(jīng)近60年。自Nafion?膜發(fā)明以來，憑借其卓越的產(chǎn)品性能和耐用性，一直大量應(yīng)用于氯堿工業(yè)，并在此后形成了種類豐富的Nafion?系列產(chǎn)品，很好地滿足了能源儲(chǔ)存、水電解、燃料電池、超高純度化學(xué)品生產(chǎn)以及為其他特殊應(yīng)用領(lǐng)域提供領(lǐng)先的解決方案。

為了促進(jìn)綠色氫能技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)釋放氫能經(jīng)濟(jì)潛力，滿足不斷增長的市場需求，科慕公司于今年1月宣布向其位于法國維萊圣保羅的工廠投資2億美元，以增加Nafion?離子交換材料的產(chǎn)能。這項(xiàng)投資是科慕在美國工廠的現(xiàn)有產(chǎn)能之上，對(duì)供應(yīng)鏈體系的可靠性和生產(chǎn)能力的進(jìn)一步提升。

隨著“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下清潔能源需求的增多，氫能和燃料電池將獲得越來越多的關(guān)注，質(zhì)子交換膜的市場也將更加廣闊。未來，科慕將持續(xù)加大研發(fā)投入和創(chuàng)新力度，擴(kuò)大Nafion?質(zhì)子交換膜技術(shù)的影響力，支持和推動(dòng)全球氫能經(jīng)濟(jì)的技術(shù)進(jìn)步和新品研發(fā)，加速全球脫碳進(jìn)程。