隨著日益增長(zhǎng)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(lái)源方案中碳排放最低的工藝。氫氣在儲(chǔ)能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。堅(jiān)持氫能綠色利用的初衷，積極發(fā)展以質(zhì)子交換膜電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與可再生能源的融合發(fā)展。
近期，中國(guó)工程院衣寶廉院士科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》撰文，梳理了氫能需求和規(guī)劃的進(jìn)展、電解水制氫的示范項(xiàng)目情況，重點(diǎn)分析了電解水制氫技術(shù)，涵蓋技術(shù)分類、堿水制氫應(yīng)用、質(zhì)子交換膜電解水制氫。文章認(rèn)為，提升電催化劑活性、提高膜電極中催化劑的利用率、改善雙極板表面處理工藝、優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)，有助于提高質(zhì)子交換膜電解槽的性能并降低設(shè)備成本；質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的運(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)電的波動(dòng)性特征、易于與可再生能源消納相結(jié)合，是電解水制氫的適宜方案。
文章結(jié)合氫儲(chǔ)運(yùn)與電解制氫的技術(shù)特征研判、我國(guó)輸氫需求，提出發(fā)展建議：利用西北、西南、東北等區(qū)域豐富的可再生能源，通過(guò)電解水制氫產(chǎn)生高壓氫；氫送入天然氣管網(wǎng)，然后在用氫端從天然氣管道取氣、重整制氫，由此構(gòu)成綠色制氫與長(zhǎng)距離輸送的系統(tǒng)解決方案。
一、前言
回顧人類所消耗的能源形式，遠(yuǎn)古時(shí)代的鉆木取火、農(nóng)耕時(shí)代開(kāi)始使用的煤炭、工業(yè)時(shí)代大規(guī)模應(yīng)用的石油與天然氣，這些能源載體的變化體現(xiàn)了減碳加氫、碳?xì)浔冉档偷内厔?shì)。當(dāng)前，我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展目標(biāo)的提出，將進(jìn)一步提速減碳的過(guò)程。氫氣作為零碳的能源載體，正在得到越來(lái)越多的關(guān)注：2050年世界上20%的CO2減排可以通過(guò)氫能替代完成，氫能消費(fèi)將占世界能源市場(chǎng)的18%。
氫利用的途徑主要是燃料電池移動(dòng)動(dòng)力、分布式電站、化工加氫，新興發(fā)展的是氫燃料汽輪機(jī)、氫氣冶金等。氫能的利用需要從制氫開(kāi)始，由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在，需要通過(guò)工業(yè)過(guò)程制取。氫氣的來(lái)源分為工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等途徑，差別在于原料的再生性、CO2排放、制氫成本。目前，世界上超過(guò)95%的氫氣制取來(lái)源于化石燃料重整，生產(chǎn)過(guò)程必然排放CO2；約4%~5%的氫氣來(lái)源于電解水，生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有CO2排放。制氫過(guò)程按照碳排放強(qiáng)度分為灰氫（煤制氫）、藍(lán)氫（天然氣制氫）、綠氫（電解水制氫、可再生能源）。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氫、藍(lán)氫將會(huì)逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代，綠氫是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
近年來(lái)，可再生能源電解水制氫在國(guó)際上呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始設(shè)定氫能在交通領(lǐng)域之外的工業(yè)、建筑、電力等行業(yè)發(fā)展目標(biāo)，在政府規(guī)劃、應(yīng)用示范等方面都有積極表現(xiàn)。本文主要就制備綠氫的電解水制氫技術(shù)開(kāi)展分析和展望，研究綠色制氫與長(zhǎng)距離輸送的系統(tǒng)解決方案，為我國(guó)能源換代發(fā)展提供思路參考。
二、氫能發(fā)展態(tài)勢(shì)分析
（一）氫能需求
歐洲清潔氫能聯(lián)盟認(rèn)為，氫能在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的作用主要有：實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效可再生能源的消納，在不同行業(yè)和地區(qū)間進(jìn)行能量再分配，充當(dāng)能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)韌性，降低交通運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放，降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放，代替焦炭用于冶金工業(yè)，降低建筑采暖的碳排放。
從效率上看，氫利用的首選是燃料電池，氫燃料電池技術(shù)的突破帶動(dòng)了氫的市場(chǎng)需求。以氫為燃料的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池技術(shù)逐漸成熟，正在朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。日本豐田汽車公司2014年開(kāi)始銷售氫燃料電池汽車（Mirai），累計(jì)銷售超過(guò)1×104輛；韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司的燃料電池汽車銷售數(shù)量也相當(dāng)。在亞洲汽車市場(chǎng)的率先推動(dòng)下，世界燃料電池汽車市場(chǎng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，2019年世界燃料電池汽車保有量約為2.52×104輛，年銷售量約1.24×104輛。鑒于燃料電池乘用車在商業(yè)化初期面臨加氫困難等問(wèn)題，我國(guó)規(guī)劃提出將燃料電池首先應(yīng)用于商用車，這一發(fā)展路徑獲得業(yè)界廣泛認(rèn)可，目前已有超過(guò)6000輛燃料電池商用車投入運(yùn)行。
氫能在非道路運(yùn)輸方面的應(yīng)用正在推廣。2018年，法國(guó)阿爾斯通集團(tuán)生產(chǎn)的燃料電池列車在德國(guó)投入運(yùn)營(yíng)，英國(guó)、荷蘭等國(guó)也在積極發(fā)展氫動(dòng)力列車。中國(guó)中車股份有限公司2019年在廣東佛山開(kāi)始運(yùn)行燃料電池有軌電車，同時(shí)開(kāi)展氫燃料列車方案的探索研究。
家庭熱電聯(lián)供和工業(yè)應(yīng)用也增加了對(duì)低碳?xì)涞男枨?。低碳工業(yè)對(duì)氫的需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵制造等行業(yè)，采用低碳?xì)涮娲咛細(xì)鋵⑹窃诙唐趦?nèi)擴(kuò)大需求、減少溫室氣體排放的契機(jī)。國(guó)際上正進(jìn)行低碳?xì)溆糜跓捰?、甲醇及氨生產(chǎn)的試驗(yàn)。電解制氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模正在加快擴(kuò)展，在無(wú)需對(duì)現(xiàn)有直接還原煉鋼爐進(jìn)行重大改造的條件下，氫氣可替代35%的天然氣使用；還提出了氫氣與天然氣混合應(yīng)用的過(guò)渡性策略，以加快推進(jìn)利用純氫直接還原煉鐵的進(jìn)度，這對(duì)氫的儲(chǔ)運(yùn)方式將產(chǎn)生重要的影響。
（二）氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃
歐盟規(guī)定了電解槽制氫響應(yīng)時(shí)間小于5 s，目前只有PEM電解水技術(shù)可達(dá)到這一要求。因此，歐盟規(guī)劃了PEM電解水制氫來(lái)逐漸取代堿性水電解制氫的發(fā)展路徑：2020年7月，歐盟委員會(huì)發(fā)布了涉及氫能的戰(zhàn)略規(guī)劃，重點(diǎn)發(fā)展利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源來(lái)生產(chǎn)可再生氫；2020—2024年，支持安裝超過(guò)6 GW的可再生氫電解槽，產(chǎn)氫量達(dá)1.0×106 t；2025—2030年，建設(shè)40 GW的可再生氫電解槽，產(chǎn)氫量達(dá)1.0×107 t；2030—2050年，可再生氫產(chǎn)業(yè)成熟，在眾多難以脫碳的行業(yè)（如航空、海運(yùn)、貨運(yùn)交通等）進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。此外，德國(guó)2020年頒布了《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，提出以可再生氫為重點(diǎn)，規(guī)劃布局德國(guó)綠氫制造。
美國(guó)既重提煤的高效利用，也積極推動(dòng)氫能的研發(fā)與應(yīng)用。美國(guó)能源部（DOE）提出H2@Scale 規(guī)劃，推進(jìn)氫的規(guī)?；瘧?yīng)用。2019年，DOE大幅提高了對(duì)不同電解制氫材料與技術(shù)類研發(fā)項(xiàng)目的支持力度；2020年，在H2@Scale規(guī)劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開(kāi)展PEM電解槽制造與規(guī)?；夹g(shù)研發(fā)，涉及吉瓦級(jí)PEM電解槽的析氧催化劑、電極、低成本PEM電解槽組件及放大工藝，資助金額均超過(guò)400萬(wàn)美元。這表明，美國(guó)在制氫規(guī)模化方面偏重PEM電解的技術(shù)路線。另外，DOE支持了氫冶金、氫與天然氣混合輸送等技術(shù)研發(fā)，為氫的規(guī)?；瘧?yīng)用作全面準(zhǔn)備。
（三）電解水制氫的示范進(jìn)展
在市場(chǎng)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。AWE采用氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣，效率通常在70%~80%。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(wú)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(guó)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(guó)產(chǎn)設(shè)備的最大產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h。國(guó)內(nèi)代表性企業(yè)有中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所、蘇州競(jìng)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（4 MW）。
圖 1 堿性液體水電解原理示意圖
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(kāi)始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解槽技術(shù)。過(guò)去數(shù)年，歐盟、美國(guó)、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)。其中，ProtonOnsite公司的PEM水電解制氫裝置的部署量超過(guò)2000套（分布于72個(gè)國(guó)家和地區(qū)），擁有全球PEM水電解制氫70%的市場(chǎng)份額，具備集成10 MW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(guò)3 A/cm2，50 kW水電解池樣機(jī)的高壓運(yùn)行累計(jì)時(shí)間超過(guò) 1.5×105 h。
當(dāng)前，國(guó)際上在建的電解制氫項(xiàng)目規(guī)模增長(zhǎng)顯著。2010 年前后的多數(shù)電解制氫項(xiàng)目規(guī)模低于0.5 MW，而 2017—2019 年的項(xiàng)目規(guī)模基本為 1~5 MW；日本 2020 年投產(chǎn)了 10 MW 項(xiàng)目，加拿大正在建設(shè) 20 MW 項(xiàng)目。德國(guó)可再生能源電解制氫的“Power to Gas”項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 10 a；2016 年西門子股份公司參與建造的 6 MW PEM 電解槽與風(fēng)電聯(lián)用電解制氫系統(tǒng)，年產(chǎn)氫氣 200 t，已于 2018 年實(shí)現(xiàn)盈利；2019 年德國(guó)天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商 OGE 公司、Amprion 公司聯(lián)合實(shí)施 Hybridge 100 MW 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。
三、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、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，相關(guān)特性對(duì)比見(jiàn)表1。
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(lái)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(lái)5~10 年的發(fā)展趨勢(shì)。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。
表1 4 種水電解技術(shù)特性
圖 2 質(zhì)子交換膜水電解制氫原理
四、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(guò)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(guó)際先進(jìn)水平為：?jiǎn)坞姵匦阅転? A·cm–2@2 V，總鉑系催化劑載量為 2~3 mg/cm2 ，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為 6×104 ~8×104 h，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。
（一）電催化劑
由于PEM電解槽的陽(yáng)極處于強(qiáng)酸性環(huán)境（pH≈2）、電解電壓為1.4~2.0 V，多數(shù)非貴金屬會(huì)腐蝕并可能與PEM中的磺酸根離子結(jié)合，進(jìn)而降低PEM傳導(dǎo)質(zhì)子的能力。PEM 電解槽的電催化劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以鈦材料為載體的負(fù)載型催化劑。
按照技術(shù)規(guī)劃目標(biāo)，膜電極上的鉑族催化劑總負(fù)載量應(yīng)降低到0.125 mg/cm2，而當(dāng)前的陽(yáng)極銥催化劑載量在1 mg/cm2量級(jí)，陰極Pt/C催化劑的Pt 載量約為 0.4~0.6 mg/cm2 。意大利研究團(tuán)隊(duì)制備的 Ir0.7Ru0.3Ox 催化劑在陽(yáng)極催化劑總載量為 1.5 mg/cm2 時(shí)，電解池性能可達(dá) 3.2 A·cm–2@1.85 V。Giner 公司研究團(tuán)隊(duì)制備出的 Ir0.38/WxTi1-xO2 催化劑在 Ir 載量為 0.4 mg/cm2 時(shí)的全電池性能達(dá)到 2 A·cm–2@1.75 V，Ir 用量?jī)H為傳統(tǒng)電極的1/5。
Ru 的電催化析氧活性高于 Ir，但穩(wěn)定性差；通過(guò)與 Ir 形成穩(wěn)定合金可提高催化劑的活性與穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的 Ir0.6Sn0.4 催化劑，在全電解池測(cè)試中的性能為 2 A·cm–2@1.82 V；IrSn 可形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)，與 Sn 形成合金的過(guò)程提高了 Ir 的分散性，有助于降低 Ir 載量。
美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Giner 公司合作研發(fā)了多種金屬有機(jī)框架（MOF）材料催化劑，價(jià)格僅為傳統(tǒng)催化劑的 1/20，其中 Co-MOFG-O 催化劑在 0.01 A/cm2 下的過(guò)電位為 1.644 V(vs. RHE)，在半電池衰減實(shí)驗(yàn)中的性能優(yōu)于傳統(tǒng) Ir 催化劑，但尚未開(kāi)展全電池測(cè)試。
受限于 PEM 水電解制氫的酸性環(huán)境、陽(yáng)極高電位、良好導(dǎo)電性等要求，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大，預(yù)計(jì)一定時(shí)期內(nèi)實(shí)際用于大規(guī)模電解槽的催化劑仍以 Ir 為主。未來(lái)降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發(fā)超低載量或有序化膜電極。
（二）隔膜材料
在 PEM 方面，目前常用的產(chǎn)品有杜邦公司 Nafion 系列膜、陶氏化學(xué) Dow 系列膜、旭硝子株式會(huì)社 Flemion 系列膜、旭化成株式會(huì)社 Aciplex-S 系列膜、德山化學(xué)公司 Neosepta-F 等。Giner 公司研發(fā)的 DSMTM 膜已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)，相比 Nafion 膜具有更好的機(jī)械性能、更薄的厚度，在功率波動(dòng)與啟停機(jī)過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性良好，實(shí)際電解池的應(yīng)用性能較優(yōu)。
為進(jìn)一步提高 PEM 性能并降低成本，一方面可采用增強(qiáng)復(fù)合的方案改善 PEM 的機(jī)械性能，有利于降低膜的厚度；另一方面，可通過(guò)提高成膜的離子傳導(dǎo)率來(lái)降低膜阻和電解能耗，有利于提高電解槽的整體性能。國(guó)產(chǎn) PEM 產(chǎn)品進(jìn)入了試用階段。
（三）膜電極
PEM 電解水的陽(yáng)極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕，應(yīng)具有合適的孔洞結(jié)構(gòu)以便氣體和水通過(guò)。受限于 PEM 電解水的反應(yīng)條件，PEM 燃料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無(wú)法用于水電解陽(yáng)極。3M 公司研發(fā)了納米結(jié)構(gòu)薄膜（NSTF）電極，陰陽(yáng)兩極分別采用 Ir、Pt 催化劑，載量均為 0.25 mg/cm2 ；在酸性環(huán)境及高電位條件下可以穩(wěn)定工作，表面的棒狀陣列結(jié)構(gòu)有利于提高催化劑的表面分散性。Proton 公司采用直接噴霧沉積法來(lái)減少催化劑團(tuán)聚現(xiàn)象，將載量 0.1 mg/cm2 的 Pt/C 和 Ir，載量 0.1 mg/cm2 的 IrO2 沉積在 Nafion117 膜上；單電解池的應(yīng)用性能與傳統(tǒng)高催化劑載量電解池相似（1.8 A·cm–2@2 V），在 2.3 V 電壓下穩(wěn)定工作 500 h。
改善集流器的性能也可提高電解槽性能。美國(guó)田納西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在鈦薄片上用模板輔助的化學(xué)刻蝕法制備出直徑小于 1 mm 的小孔，陽(yáng)極集流器的厚度僅為 25.4 μm；相關(guān)集流器用于 PEM 水電解陰極，電解性能為 2 A·cm–2@1.845 V，陰極 Pt 催化劑載量?jī)H為 0.086 m/cm2。
（四）雙極板
雙極板及流場(chǎng)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 PEM 電解槽陽(yáng)極嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，若雙極板被腐蝕將會(huì)導(dǎo)致金屬離子浸出，進(jìn)而污染 PEM，因此常用的雙極板保護(hù)措施是在表面制備一層防腐涂層。Lettenmeier 等在不銹鋼雙極板上用真空等離子噴涂方式制備 Ti 層以防止腐蝕，再用磁控濺射方式制備 Pt 層以防止 Ti 氧化引起的導(dǎo)電性降低；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將 Pt 涂層換成價(jià)格更低的 Nb 涂層，可維持相似的電解池性能，且電解池可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò) 1000 h。美國(guó)田納西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用增材制造技術(shù)，在陰極雙極板上制作出厚度為 1 mm 的不銹鋼材料流場(chǎng)，在上面直接沉積一層厚度為 0.15 mm 的網(wǎng)狀氣體擴(kuò)散層；該單電池陰極阻抗極小，電池性能高達(dá) 2 A·cm–2@1.715 V，但仍需要表面鍍金以提高穩(wěn)定性。此外，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了系列化的 PEM 電解槽用雙極板研發(fā)工作。
（五）電解槽穩(wěn)定性
2003 年，Proton 公司完成了 PEM 電解槽持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)（>6×104 h），衰減速率僅為 4 μV/ h。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織提出的 2030 年技術(shù)目標(biāo)，要求電解槽壽命達(dá)到 9×104h，持續(xù)工作狀態(tài)下的衰減速率穩(wěn)定在 0.4~15 μV/h。許多研究團(tuán)隊(duì)著力探索 PEM 電解槽中各部件的衰減機(jī)理，發(fā)現(xiàn)催化劑和膜的脫落、水流量變化、供水管路腐蝕等會(huì)導(dǎo)致歐姆阻抗提高，膜電極結(jié)構(gòu)被破壞后會(huì)誘發(fā)兩側(cè)氣體滲透并造成氫氣純度降低，溫度 / 壓力變化、電流密度和功率負(fù)載循環(huán)也會(huì)影響部件衰減速率。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所對(duì) PEM 電解槽進(jìn)行了 7800 h 衰減測(cè)試，發(fā)現(xiàn)污染主要來(lái)自于水源和單元組件的金屬離子；完成了供水量、電流密度變化對(duì) PEM 電解槽性能的影響分析。法國(guó)研究人員建立了 46 kW 電解槽模型，預(yù)測(cè)了功率波動(dòng)工況下的工作情況，在溫度較高、壓力較低時(shí)，電解槽效率達(dá)到最高并可更好適應(yīng)功率波動(dòng)。
在推廣應(yīng)用層面，我國(guó) 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(chǎng)化、規(guī)?；瘧?yīng)用的階段變化，逐步開(kāi)展示范工程建設(shè)，如國(guó)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、陽(yáng)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(wèn)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(kāi)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。
五、氫儲(chǔ)運(yùn)與電解制氫
（一）氫的儲(chǔ)運(yùn)方式
氫利用的重要前提是將氫的綠色制取與終端用戶通過(guò)安全可靠、經(jīng)濟(jì)便捷的方式聯(lián)系起來(lái)，這就需要解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。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(shì)。
高壓儲(chǔ)運(yùn)氫是中小量用氫的常用方法，在 200 km 距離以內(nèi)，單輛魚(yú)雷車每天可運(yùn)輸 10 t 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(guò)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 ℃。日本計(jì)劃采用甲苯與甲基環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)進(jìn)行氫儲(chǔ)運(yùn)，從澳大利亞向本土運(yùn)氫。
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 3.5 MPa，很容易提升至 4 MPa，因而 PEM 電解生產(chǎn)的氫氣無(wú)需額外的加壓過(guò)程即可直接注入天然氣管網(wǎng)。德國(guó)已有天然氣管網(wǎng) 20% 混氫的工程案例。法國(guó) GRHYD 項(xiàng)目在 2018 年開(kāi)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(guó)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(guó)啟動(dòng)了輸送純氫管網(wǎng)的初步規(guī)劃論證，但開(kāi)工建設(shè)尚需時(shí)日。
（二）我國(guó)的輸氫需求
我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)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(guó)海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國(guó)、德國(guó)之后的世界第三大海上風(fēng)電國(guó)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(guò) PEM 水電解方式獲得綠氫，將氫通過(guò)油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國(guó)各地，這為氫的長(zhǎng)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。
六、結(jié)語(yǔ)
氫氣在儲(chǔ)能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。堅(jiān)持氫能綠色利用的初衷，積極發(fā)展以 PEM 電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與可再生能源的融合發(fā)展。
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(guò)產(chǎn)能提升和技術(shù)進(jìn)步來(lái)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(guó)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(lái)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)?；l(fā)展態(tài)勢(shì)；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(zhǎng)距離輸氫的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。
本文來(lái)源：中國(guó)工程院刊《中國(guó)工程科學(xué)》
