文章來源：中國工程科學(xué)
作者：俞紅梅、邵志剛、侯明、衣寶廉、段方維、楊瀅璇
隨著日益增長的低碳減排需求，氫的綠色制取技術(shù)受到廣泛重視，利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低的工藝。
以下是“電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議”節(jié)選內(nèi)容——
電解水制氫的示范進(jìn)展
在市場化進(jìn)程方面，堿水電解（AWE）作為最為成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其是一些大型項(xiàng)目的應(yīng)用。
一方面，AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、Co、Mn等），因而電解槽中的催化劑造價(jià)較低，但產(chǎn)氣中含堿液、水蒸氣等，需經(jīng)輔助設(shè)備除去；
另一方面，AWE難以快速啟動(dòng)或變載、無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。
我國AWE裝置的安裝總量為1500~2000套，多數(shù)用于電廠冷卻用氫的制備，國產(chǎn)設(shè)備的最大產(chǎn)氫量為1000Nm3/h。
國內(nèi)代表性企業(yè)有中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所、蘇州競立制氫設(shè)備有限公司、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司等，代表性的制氫工程是河北建投新能源有限公司投資的沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目（4MW）。
由于PEM電解槽運(yùn)行更加靈活、更適合可再生能源的波動(dòng)性，許多新建項(xiàng)目開始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解槽技術(shù)。
過去數(shù)年，歐盟、美國、日本企業(yè)紛紛推出了PEM電解水制氫產(chǎn)品，促進(jìn)了應(yīng)用推廣和規(guī)?；瘧?yīng)用，ProtonOnsite、Hydrogenics、Giner、西門子股份公司等相繼將PEM電解槽規(guī)格規(guī)模提高到兆瓦級(jí)。
ProtonOnsite公司的PEM水電解制氫裝置的部署量超過2000套（分布于72個(gè)國家和地區(qū)），擁有全球PEM水電解制氫70%的市場份額，具備集成10MW以上制氫系統(tǒng)的能力。
Giner公司單個(gè)PEM電解槽規(guī)格達(dá)5MW，電流密度超過3A/cm2，50kW水電解池樣機(jī)的高壓運(yùn)行累計(jì)時(shí)間超過1.5×105h。
當(dāng)前，國際上在建的電解制氫項(xiàng)目規(guī)模增長顯著。2010年前后的多數(shù)電解制氫項(xiàng)目規(guī)模低于0.5MW，而2017—2019年的項(xiàng)目規(guī)?；緸?~5MW；日本2020年投產(chǎn)了10MW項(xiàng)目，加拿大正在建設(shè)20MW項(xiàng)目。
德國可再生能源電解制氫的“PowertoGas”項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間超過10a；2016年西門子股份公司參與建造的6MWPEM電解槽與風(fēng)電聯(lián)用電解制氫系統(tǒng)，年產(chǎn)氫氣200t，已于2018年實(shí)現(xiàn)盈利；2019年德國天然氣管網(wǎng)運(yùn)營商OGE公司、Amprion公司聯(lián)合實(shí)施Hybridge100MW電解水制氫項(xiàng)目，計(jì)劃將現(xiàn)有的OGE管道更換為專用的氫氣管道。
2019年，荷蘭啟動(dòng)了PosHYdon項(xiàng)目，將集裝箱式制氫設(shè)備與荷蘭北海的電氣化油氣平臺(tái)相結(jié)合，探索海上風(fēng)電制氫的可行性。
電解水制氫技術(shù)分類
在技術(shù)層面，電解水制氫主要分為AWE、固體聚合物PEM水電解，固體聚合物陰離子交換膜（AEM）水電解、固體氧化物（SOE）水電解。
圖片來源：電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議
其中，AWE是最早工業(yè)化的水電解技術(shù)，已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，最為成熟；PEM電解水技術(shù)近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，SOE水電解技術(shù)處于初步示范階段，而AEM水電解研究剛起步。
從時(shí)間尺度上看，AWE技術(shù)在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應(yīng)用；但從技術(shù)角度看，PEM電解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大）具有良好的匹配性。
隨著PEM電解槽的推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降，必然是未來5~10a的發(fā)展趨勢。SOE、AEM水電解的發(fā)展則取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。
PEM電解水制氫技術(shù)分析
PEM水電解槽采用PEM傳導(dǎo)質(zhì)子，隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免AWE使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點(diǎn)。PEM水電解槽以PEM為電解質(zhì)，以純水為反應(yīng)物，加之PEM的氫氣滲透率較低，產(chǎn)生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣。
電解槽采用零間距結(jié)構(gòu)，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調(diào)控范圍大，氫氣輸出壓力可達(dá)數(shù)兆帕，適應(yīng)快速變化的可再生能源電力輸入。因此，PEM電解水制氫是極具發(fā)展前景的綠色制氫技術(shù)路徑。
也要注意到，PEM水電解制氫的瓶頸環(huán)節(jié)在于成本和壽命。電解槽成本中，雙極板約占48%，膜電極約占10%。
當(dāng)前PEM國際先進(jìn)水平為：單電池性能為2A·cm–2@2V，總鉑系催化劑載量為2~3mg/cm2，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為6×104~8×104h，制氫成本約為每千克氫氣3.7美元。
降低PEM電解槽成本的研究集中在以催化劑、PEM為基礎(chǔ)材料的膜電極，氣體擴(kuò)散層，雙極板等核心組件。雙極板及流場占電解槽成本的比重較大，降低雙極板成本是控制電解槽成本的關(guān)鍵。
在推廣應(yīng)用層面，我國PEM電解水制氫技術(shù)正在經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向市場化、規(guī)模化應(yīng)用的階段變化，逐步開展示范工程建設(shè)，如國網(wǎng)安徽省電力有限公司的兆瓦級(jí)氫能示范工程將于2021年年底建成投產(chǎn)。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、陽光電源股份有限公司共同建立的PEM電解水制氫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室——
針對(duì)PEM電解水技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題，如廉價(jià)催化劑的活性與穩(wěn)定性、膜滲透性、膜電極結(jié)構(gòu)等開展研究攻關(guān)；
針對(duì)雙極板、擴(kuò)散層等，發(fā)展高電流密度與高電壓條件下的廉價(jià)抗腐蝕鍍層技術(shù)，著力提高電解效率、降低綜合成本。
氫的儲(chǔ)運(yùn)方式
氫的儲(chǔ)運(yùn)方式有高壓儲(chǔ)氫、液氫、材料儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)氫、管道輸氫等，其中高壓儲(chǔ)氫、液氫、管道輸氫均需加壓氫氣，因而具有較高壓力的PEM電解制氫具有與儲(chǔ)氫需求匹配的天然優(yōu)勢。
高壓儲(chǔ)運(yùn)氫是中小量用氫的常用方法，在200km距離以內(nèi)，單輛魚雷車每天可運(yùn)輸10t
氫，包括壓縮、存儲(chǔ)設(shè)備折舊費(fèi)用在內(nèi)的綜合運(yùn)費(fèi)約為2元/kg。
材料儲(chǔ)氫安全性好，但儲(chǔ)氫容量低（1%~2%），僅適合原地儲(chǔ)氫。若用于運(yùn)輸，運(yùn)輸費(fèi)用明顯過高。
有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)氫的儲(chǔ)氫量可達(dá)5%~6%，運(yùn)輸要求與液體燃料類似，到達(dá)目的地后需應(yīng)用脫氫設(shè)備進(jìn)行脫氫處理，脫氫溫度約為200℃。
利用現(xiàn)有的天然氣管道，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送；在用氫端，從管道提取天然氣/氫氣混合氣，進(jìn)行重整制氫，這是快速儲(chǔ)運(yùn)氫的新方向。
PEM電解水制氫的產(chǎn)氫壓力通常大于3.5MPa，很容易提升至4MPa，因而PEM電解生產(chǎn)的氫氣無需額外的加壓過程即可直接注入天然氣管網(wǎng)。
德國已有天然氣管網(wǎng)20%混氫的工程案例；
法國GRHYD項(xiàng)目在2018年開始向天然氣管網(wǎng)注入含氫氣（摻混率為6%）的天然氣，2019年氫氣摻混率達(dá)到20%；
英國在HyDeploy項(xiàng)目中實(shí)施了零碳制氫，2020年向天然氣管網(wǎng)注入氫氣（摻混率為20%），驗(yàn)證了電解制氫注入氣體管網(wǎng)的技術(shù)可行性。
更為理想的情況是新建純氫管道，歐洲多國啟動(dòng)了輸送純氫管網(wǎng)的初步規(guī)劃論證，但開工建設(shè)尚需時(shí)日。
我國的輸氫需求
我國西北地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源豐富，西南地區(qū)的水電資源豐富，需要將相應(yīng)電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區(qū)。
我國海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國、德國之后的世界第三大海上風(fēng)電國家，快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。
利用這些可再生能源電力，通過PEM水電解方式獲得綠氫，將氫通過油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國各地，這為氫的長距離輸送、氫能可持續(xù)發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。
適時(shí)在管理層面建立PEM電解水制氫、輸氫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。
總結(jié)——發(fā)展建議
PEM電解水制氫技術(shù)具有運(yùn)行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高、適應(yīng)可再生能源發(fā)電波動(dòng)、占地緊湊的特點(diǎn)，具備了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的基礎(chǔ)條件。為此建議：
從電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料與部件方面入手，通過產(chǎn)能提升和技術(shù)進(jìn)步來壓降成本，進(jìn)而支持PEM電解制氫綜合成本的穩(wěn)步下降；
改善催化劑活性，提高催化劑利用率，有效降低貴金屬用量；
研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高PEM電解的運(yùn)行電流密度；
提升雙極板的材料性能與表面工藝，在降低成本的同時(shí)提高耐蝕性能。
隨著我國風(fēng)、光、水等可再生能源的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)電解水制氫技術(shù)與應(yīng)用將進(jìn)入穩(wěn)步上升期。為此建議：
結(jié)合西北、西南、東北、沿海等地區(qū)可再生能源豐富的天然稟賦，加大利用可再生能源來進(jìn)
行PEM電解水制氫的示范力度；
結(jié)合商業(yè)化推廣，全面降低PEM電解水制氫的成本，適應(yīng)可再生能源規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢；
在西北、西南、東北、沿海等地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的電解水制氫裝備應(yīng)用，將高壓氫摻混后送入天然氣管網(wǎng)，用氫地區(qū)則從天然氣管道中取氫；
天然氣中的氫濃度為5%~20%時(shí)用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于5%時(shí)采用混合氣重整制氫方法，由此既不增加CO2排放，也具有長距離輸氫的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。
