“雙碳”目標下電解制氫關鍵技術及其應用進展
趙雪瑩，李根蒂，孫曉彤，宋潔，梁丹曦，徐桂芝，鄧占鋒
（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2021年第5期“規(guī)?；瘍δ芗夹g進展及其在高比例可再生能源和電力電子設備電力系統(tǒng)中的應用”專題上，歡迎點擊品讀。本文受國家電網(wǎng)有限公司科技項目科資助。
文章導讀
氫能是一種清潔無污染、可長期存儲的二次能源，在碳達峰、碳中和目標背景下，將在可再生能源占主導地位的能源體系中扮演舉足輕重的角色。氫能的綠色制取是實現(xiàn)脫碳的必要前提，綜述了氫能綠色制取的關鍵技術進展。此外，總結了歐洲、日本等地在綠氫制取方面的先進案例，分析電解制氫技術的成本組成以及降低成本的途徑。相比于設備成本的降低，低電價對于綠氫成本的影響更大。電極和膜片在堿性電解槽成本中占比最高，而雙極板在質子交換膜電解槽成本中占比最高。最后總結了未來中國氫能綠色制取技術發(fā)展方向：研究新能源輸入對電解槽及制氫系統(tǒng)影響；提高電解槽和系統(tǒng)可靠性與耐久性；提升電解槽關鍵材料與核心部件自主化研發(fā)水平。
重點內容
1 氫能綠色制取技術
電解水的電化學反應過程被認為是完全清潔的產(chǎn)氫過程，無二氧化碳排放。電解制氫技術主要分為3種：堿性電解（AWE），質子交換膜（PEM）電解，固體氧化物電解（SOEC）。表1總結了3種技術的重要特征及優(yōu)缺點。
?表1 三種類型的水電解質的特征
1）堿性電解（AWE）制氫技術是目前最成熟、商業(yè)化程度最高的電解制氫技術，MW級規(guī)模的電解裝置已實現(xiàn)商業(yè)化應用。較高的電流密度下，產(chǎn)生的氣泡在整個電極表面形成一層連續(xù)的非導電氣膜，傳統(tǒng)AWE最大電流密度通常限制在0.45A/cm2以內。因而延伸出新型AWE電解槽、水蒸氣電解槽，來避免“氣泡演變問題”，提升電流密度。此外，AWE的啟動時間較長，停機后需要30~60 min才能重新啟動，因此與可再生能源配合性能相對較差。目前，中國堿性電解水制氫技術已經(jīng)十分成熟，在電流密度、直流電耗等技術指標上與國外仍存在一定差距。
2）質子交換膜（PEM）制氫技術采用質子交換膜作為電解質。質子交換膜可提供高導電性、允許緊湊化設計和高壓操作、薄膜厚度低，但質子交換膜不能完全隔離氣體，將降低電流效率和/或氣體純度，尤其當運行在低電流密度或頻繁啟動-停止循環(huán)時。PEM電解水催化劑主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物，因其價格昂貴且資源稀缺，衍生出非貴金屬取代含鉑族金屬（PGMs）、碳載鉑納米顆粒、過渡金屬氫氧化物等其他替代品。
與其他電解水技術相比，PEM電解制氫技術已被證明具有高電流密度（一般2~3A/cm2）、高產(chǎn)氫純度（可達99.999 9%）、高負載靈活性（運行范圍可達5%~120%）以及提供電網(wǎng)平衡服務能力等優(yōu)勢，是目前電制氫技術發(fā)展應用熱點，國際上PEM電解水制氫技術快速發(fā)展，但國內起步較晚，在功率規(guī)模、電流密度、效率、可靠性等方面與國外差距較大。
3）固體氧化物電解（SOEC）操作溫度在500℃以上，可使用相對便宜的Ni電極，表觀效率可高于100%。SOEC目前仍處于發(fā)展階段，在過去10a中呈指數(shù)型增長，世界各地的公司、研究中心和大學主要研究活動是尋找新的電解質和電極材料，探索電解液薄膜和電極層的新技術。
與AWE與PEM技術相比，SOEC的技術成熟度較低，尚處于實驗室研發(fā)階段。盡管存在效率高的顯著優(yōu)點，但關鍵材料在高溫和長期運行下存在耐久性問題，限制其進入市場應用階段。
2 全球綠氫生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來國際上電解制氫項目數(shù)量和規(guī)模呈指數(shù)型增長，2010年前后的多數(shù)電解制氫項目規(guī)模低于0.5MW，而2017—2019年的項目規(guī)?；緸?~5MW，如圖1所示。
越來越多的國家在可再生能源電解制氫方面開展試點和商業(yè)初期項目，尤其關注規(guī)模以及電力系統(tǒng)交互性能方面的提升，相關項目的應用規(guī)模已發(fā)展至MW級，但是為大幅降低成本，還需進一步研究、擴大生產(chǎn)規(guī)模以及在實踐中不斷創(chuàng)新。
? 圖1 各國電解制氫項目時間及項目規(guī)模變化圖
在能源互聯(lián)網(wǎng)的建設背景下，虛擬電廠也要朝著能源綜合服務虛擬站的方向轉變。虛擬站基于對綜合能源信息物理資源的抽象與整合，實現(xiàn)客觀的統(tǒng)一資源調度。圖2為虛擬站能量流-信息流-業(yè)務流多層次協(xié)調運行架構，在滿足用戶用能需求的基礎上，通過數(shù)據(jù)采集與分析為用戶提供相應的能源增值服務，制定出合理的運行方案。
3 綠氫成本分析
電解水制氫成本一般包括：①設備成本；②能源成本（電力）；③其他運營費用；④原料費用（水）。其中，能源成本即電力成本占比最大，一般為40%~60%（AWE/PEM）甚至可達80%，設備成本占比次之。由圖2可以看出，電價改變引起的成本下降幅度明顯高于電解槽成本降低帶來的下降幅度。
? 圖2 2020—2050年期間綠氫成本變化趨勢
如圖3和4所示，對于堿性電解槽而言，設備成本主要由電極、膜片的成本驅動，由于堿性電解槽的雙極板設計制造更簡單、材料更便宜（鍍鎳鋼），因此只占電解電堆成本的一小部分。對于PEM電解槽而言，設備成本主要由雙極板的成本驅動，主要因為其通常需要使用Au或Pt涂層。此外稀有金屬Ir是膜電極材料的重要組成部分，可能成為后期PEM電解槽生產(chǎn)的瓶頸。
? 圖3 1 MW堿性電解槽的成本組成
? 圖4 1 MW PEM電解槽的成本組成
降低綠氫成本可從改善單電池材料、電解槽結構設計與提升單槽規(guī)模兩方面入手。使用較少的貴金屬材料，或用非貴金屬材料（Ni、Fe等）取代，重新設計電解槽可獲得更高的效率、更高的耐久性以及更高的電流密度；增加單槽和工廠生產(chǎn)的規(guī)模，可通過執(zhí)行高通量、自動化的制造工藝，降低每個組件的成本。
4 未來發(fā)展方向
未來氫能有望打通可再生能源電力在交通、工業(yè)和建筑領域終端應用的滲透路徑，逐步降低化石能源在這些終端領域的消費比重。實現(xiàn)氫能的規(guī)?；瘧?，還需在以下方面進行深入研究：
1）研究新能源輸入對電解槽及制氫系統(tǒng)影響，解決可再生能源高比例并網(wǎng)問題。
2）提高電解槽和系統(tǒng)可靠性與耐久性，促進電解制氫技術參與電網(wǎng)調峰調頻，增加與電網(wǎng)互動。
3）提升電解槽關鍵材料與核心部件自主化研發(fā)水平，加快形成具有完全自主知識產(chǎn)權的批量制備方法，全面實現(xiàn)關鍵材料與核心部件的國產(chǎn)化。
5 結論
歐洲國家、日本、加拿大等在可再生能源電解制氫方面已開展試點和商業(yè)初期項目，相關項目的應用規(guī)模已發(fā)展至MW級，尤其關注規(guī)模以及電力系統(tǒng)交互性能方面的提升。中國電解制氫項目主要利用AWE制氫技術，PEM示范工程較少，應用于電力系統(tǒng)中的制氫示范以及SOEC示范工程更為罕見。若能解決其材料耐高溫與耐久性問題，長遠來看SOEC在實現(xiàn)氫能大規(guī)模高效制備上具有較大潛力，可加大投入研發(fā)支持。
與化石能源制氫相比，綠氫制取成本仍舊較高。對于AWE和PEM而言，電價的影響最為重要，需要政府在可再生能源電力上的政策支持與傾斜。在設備成本方面，對于AWE電解槽，電極和膜片占比最高，對于PEM電解槽，雙極板占比最高?？赏ㄟ^電解槽設計、改善關鍵材料以及增加電解槽生產(chǎn)規(guī)模來降低電解制氫成本。
本文引文信息
趙雪瑩，李根蒂，孫曉彤，等. “雙碳”目標下電解制氫關鍵技術及其應用進展[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2021，4(5)：436-446.
ZHAO Xueying, LI Gendi, SUN Xiaotong, et al. Key technology and application progress of hydrogen production by electrolysis under peaking carbon dioxide emissions and carbon neutrality targets[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(5): 436-446(in Chinese).
