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電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解（Alkaline Electrolyzer, AE）制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜水電解（Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME）制氫技術(shù)和固體氧化物水電解（Solid Oxide Electrolyzer, SOE）制氫技術(shù)。
目前，PEME制氫技術(shù)的瓶頸在于設(shè)備成本較高、壽命較低，且實(shí)際的電解效率還遠(yuǎn)低于理論效率（其制氫效率潛力有望超出AE制氫技術(shù)），因此歐美發(fā)達(dá)國家正重點(diǎn)開展技術(shù)攻關(guān)以突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)PEME制氫技術(shù)的更大發(fā)展。SOE制氫技術(shù)采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，理論能效最高，但該技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

目前，美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術(shù)視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦AE制氫技術(shù)規(guī)?；蚉EME制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設(shè)備成本”三個(gè)關(guān)鍵降本性能指標(biāo)推進(jìn)整體技術(shù)研發(fā)。

我國在電解水技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出以AE制氫為主、PEME制氫技術(shù)為輔的工業(yè)應(yīng)用狀態(tài)。其中我國AE制氫設(shè)備量全球占有率排名第一，隨著可再生能源電解水制氫有望成為未來主流制氫方式，堿性電解水制氫技術(shù)逐步向大容量（單體設(shè)備產(chǎn)氫量大于或等于1000m3/h）方向發(fā)展。MW級(jí)PEME制氫設(shè)備目前正處于研發(fā)狀態(tài)，有望在1~2年內(nèi)投放市場。

但我國在電解水制氫技術(shù)方面與國外先進(jìn)水平仍有一定差距，具體技術(shù)對標(biāo)與國產(chǎn)化情況如圖1所示。



圖1 電解水制氫技術(shù)對標(biāo)與國產(chǎn)化情況

AE制氫技術(shù)方面，我國在制氫效率技術(shù)指標(biāo)上仍有較大改進(jìn)空間。在制氫效率與電流密度方面，目前我國工業(yè)用堿性電解槽的電解電流密度約為0.3A/cm2@1.84V，歐美國家電解槽的電流密度高達(dá)0.4A/cm2@1.8V以上。我國堿性電解槽的直流電解能耗約為54kWh/kgH2，電解效率約65%，低于國外先進(jìn)堿性電解槽約70%的電解效率。主要受制于關(guān)鍵材料及組件方面的技術(shù)，水平相對落后。

電極方面，我國析氫電極普遍采用多孔鎳電極，而國外已開始使用高性能鎳基合金電極。隔膜組件方面，我國堿性電解槽目前采用編織結(jié)構(gòu)的無石棉隔膜，其厚度為（1.0±0.1）mm、離子電阻率為（1.0±0.2）Ωcm2，國外研制的有機(jī)無機(jī)復(fù)合隔膜的厚度為（0.5±0.05）mm、離子電阻率約為0.3Ωcm2，其性能遠(yuǎn)超我國使用的無石棉隔膜，并已在德國McPhy、挪威NEL等公司的堿性電解槽中得到應(yīng)用，有效提高了電解電流密度及電解效率。

電解槽結(jié)構(gòu)方面，我國堿性電解槽的極間距較大，材料電阻引起的壓降較高，導(dǎo)致電解效率偏低。在設(shè)備壽命方面，我國與國外設(shè)備的壽命目前均可達(dá)80000h以上。在設(shè)備成本方面，我國AE制氫設(shè)備成本優(yōu)勢明顯，約為1400元/kW。

PEME制氫技術(shù)方面，我國正在抓緊攻關(guān)，技術(shù)性能尤其是壽命尚缺乏市場驗(yàn)證。在制氫效率方面，我國PEME制氫設(shè)備的電流密度約為1~1.2A/cm2@1.92V，電解效率約為63%，而美國康明斯旗下Hydrogenics公司的PEME制氫設(shè)備的電流密度已達(dá)1.5A/cm2@1.92V，電解效率約為66%。在設(shè)備壽命方面，國外PEME設(shè)備的壽命約為60000h左右，我國尚缺乏驗(yàn)證。設(shè)備成本方面，國內(nèi)外PEME制氫設(shè)備的成本均遠(yuǎn)高于AE制氫設(shè)備，平均設(shè)備成本約為10000元/kW。

我國PEME制氫技術(shù)整體性能與國外差距較大的主要原因在于關(guān)鍵基礎(chǔ)材料性能不足，質(zhì)子交換膜等材料依賴進(jìn)口，系統(tǒng)控制（如熱、氣管理技術(shù)）缺乏經(jīng)驗(yàn)。具體來說，在基礎(chǔ)材料方面，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性能與美國、日本等國制備的質(zhì)子交換膜存在較大差距，目前主要以進(jìn)口美國杜邦質(zhì)子交換膜為主。

國產(chǎn)催化劑的壽命、均一性、分散穩(wěn)定性等與國外高性能催化劑存在差距。多孔鈦集電器作為電解槽的關(guān)鍵組件，我國的制造水平也落后于歐美發(fā)達(dá)國家，我國多孔鈦板的孔隙率約為35%~45%，美國多孔鈦的孔隙率高于60%。

在熱、氣管理方面，我國尚缺乏系統(tǒng)性研究，國外已開展電解槽余熱回收利用研究、電解槽流場研究、電解槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，提高電解槽的能量利用率與耐久性。

此外，作為PEME制氫技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的可再生能源制氫應(yīng)用項(xiàng)目部署也落后國外。可再生能源制氫需要著力克服輸入功率波動(dòng)工況下的安全、壽命、高效電解制氫技術(shù)。

我國在“十一五”和“十二五”期間，在吉林和河北部署的風(fēng)電制氫及風(fēng)電供熱項(xiàng)目至今仍未正式運(yùn)營，美國、歐洲和日本分別通過Wind2H2、地平線2020及FH2R項(xiàng)目推動(dòng)了一大批可再生能源制氫項(xiàng)目的研究和示范，在可再生能源功率控制及成本效益分析、波動(dòng)對電解水裝置壽命影響、風(fēng)/氫系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方案和電氫轉(zhuǎn)換技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“碳中和目標(biāo)下電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)及價(jià)格平準(zhǔn)化分析”。本課題得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目和國華投資公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目（碳中和愿景下公司氫能發(fā)展路徑研究）資助的支持。

原標(biāo)題：我國電解水制氫技術(shù)的發(fā)展對標(biāo)