團(tuán)隊(duì)介紹

劉瑋，國華能源投資公司副總經(jīng)理，中國氫能聯(lián)盟秘書長，博士，研究方向?yàn)闅淠堋L(fēng)電及光伏技術(shù)開發(fā)與管理。

萬燕鳴，國華能源投資公司氫能聯(lián)盟秘書處總經(jīng)理，博士，研究方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)、氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研究。

熊亞林，國華能源投資公司，博士，研究方向?yàn)闅淠芘c燃料電池產(chǎn)業(yè)與技術(shù)研究。

研究背景

在碳中和愿景下，低碳清潔氫發(fā)展已成為全球共識(shí)，電解水制氫技術(shù)成為美國、歐洲與日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)布局的重要戰(zhàn)略方向。

但我國電解水制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著瓶頸：

一方面，我國在電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)方面與國外尚有差距，對(duì)國外當(dāng)前技術(shù)水平差距缺乏量化對(duì)比分析，雖然堿性電解水制氫技術(shù)在我國歷史悠久，但在氫能成為全球能源革命戰(zhàn)略技術(shù)之前，電解水制氫技術(shù)僅少量應(yīng)用在浮法玻璃、半導(dǎo)體等行業(yè)，主要作為保護(hù)氣使用，市場(chǎng)規(guī)模很小，導(dǎo)致該技術(shù)研發(fā)動(dòng)力不足，整體性能仍有較大改進(jìn)空間。美國、日本、歐洲等國已制定了電解水制氫技術(shù)攻關(guān)路線圖與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)發(fā)展目標(biāo)，我國目前尚無電解水制氫技術(shù)路線的頂層規(guī)劃。

另一方面，電解水制氫技術(shù)還面臨氫氣成本較高的問題，成為現(xiàn)階段可再生氫大規(guī)模部署的主要障礙。

本文介紹了國外主要國家制定的電解水制氫技術(shù)路線圖，總結(jié)國外技術(shù)路線制定依據(jù)與攻關(guān)重點(diǎn)方向，進(jìn)一步對(duì)標(biāo)量化了國內(nèi)外技術(shù)水平差距，并分析技術(shù)差距背后的材料、零部件等根本原因，在此基礎(chǔ)上提出我國電解水制氫技術(shù)路線圖。最后分析我國平準(zhǔn)化低碳清潔氫成本結(jié)構(gòu)，從技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)模式等角度提出發(fā)展建議，為提升我國電解水制氫技術(shù)國際競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)展方向提供指導(dǎo)。

論文重點(diǎn)內(nèi)容

1 電解水制氫發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

美日等發(fā)達(dá)國家均將電解水制氫技術(shù)視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦堿性電解水（AE）制氫技術(shù)規(guī)模化和質(zhì)子交換膜電解水（PEME）制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，制定技術(shù)發(fā)展路線圖，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)。

總的來說，各國均對(duì)AE、PEME制氫技術(shù)同時(shí)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。其中，AE方面，近期以優(yōu)化提升制氫效率與裝置規(guī)模放大為主要目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。PEME方面，歐美國家持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，將其視為下一代主流電解水制氫技術(shù)，通過催化劑、隔膜、集電器、膜組件等核心材料及組件的研究及應(yīng)用，來提高設(shè)備的電解效率和使用壽命，降低設(shè)備成本等。

同時(shí)，歐洲開展了電解水制氫裝備性能評(píng)價(jià)與劣化評(píng)價(jià)的研究，在電解水制氫技術(shù)發(fā)展中起到重要意義。日本在吸收美國與歐洲電解水制氫技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，著力聚焦AE與PEME的技術(shù)開發(fā)，制定了最全面的技術(shù)目標(biāo)。

圖1 電解水制氫成本結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2 我國電解水技術(shù)發(fā)展對(duì)標(biāo)

AE制氫技術(shù)：在設(shè)備成本方面，我國AE制氫設(shè)備成本優(yōu)勢(shì)明顯，僅為國外價(jià)格的50%。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)80,000h以上。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0.4A/cm2@1.8V左右。同一電流密度下電解槽制氫效率約有3%的差距。主要受制于隔膜、電極關(guān)鍵材料及電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平落后。

PEME制氫技術(shù)：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。在設(shè)備壽命方面，國外PEME設(shè)備的壽命約為60,000h左右，我國尚缺乏驗(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%。

我國PEME制氫技術(shù)整體性能與國外差距較大主要原因在于關(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)控制比如熱、氣管理技術(shù)缺乏經(jīng)驗(yàn)等。

圖2 電解水制氫技術(shù)對(duì)標(biāo)與國產(chǎn)化情況

3 我國電解水制氫技術(shù)路線

提出我國電解水制氫技術(shù)的攻關(guān)方向：高效、長壽命、低成本，并制定了近10年堿性和PEM電解水制氫技術(shù)在制氫效率、電流密度、壽命和系統(tǒng)成本方面的目標(biāo)，提出了3大重點(diǎn)技術(shù)開發(fā)課題，以及建立綠氫標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證體系，電解水性能評(píng)價(jià)體系。

圖3 電解水制氫技術(shù)路線圖

4 低碳清潔氫氣平準(zhǔn)化價(jià)格研究

當(dāng)前可再生能源電解水氫氣平準(zhǔn)化成本在20-40元/kg，高成本制約了清潔氫的產(chǎn)業(yè)化。作為未來主流的制氫方式，電解水制氫成本主要取決于電解槽的投資成本、利用負(fù)荷以及度電成本。技術(shù)進(jìn)步疊加規(guī)?；?yīng)將持推動(dòng)可再生能源發(fā)電成本、電解槽生產(chǎn)成本下降，有效促進(jìn)低碳清潔氫的成本競(jìng)爭(zhēng)性。

預(yù)計(jì)至2030年，光伏與風(fēng)電新增裝機(jī)平均成本低于0.2元/kWh，可再生能源制氫成本將低于15元/kg，具備與煤制氫+CCUS相競(jìng)爭(zhēng)的條件。到2050年后，可再生能源電解水制氫成本將降低至11.63元/kgH2，不考慮碳稅情況下，已明顯低于化石能源+碳捕集與封存（CCS）制氫成本。

圖4 我國目前平準(zhǔn)化低碳清潔氫成本

結(jié)論

1）電解水制氫技術(shù)方面，我國堿性電解水制氫技術(shù)在隔膜和電極國產(chǎn)化零部件技術(shù)水平較國外有差距，但設(shè)備成本優(yōu)勢(shì)明顯。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)整體上落后于歐美，質(zhì)子交換膜等核心原材料/部件依賴進(jìn)口。

2）我國近10年應(yīng)著力對(duì)AE和PEME制氫技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，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)。同時(shí)提出了3個(gè)主要技術(shù)開發(fā)課題：高效堿性水電解制氫技術(shù)，高效長壽命低成本MW級(jí)質(zhì)子交換膜電解水制氫系統(tǒng)和P2G場(chǎng)景下高效、長壽命電解水制氫技術(shù)課題研究。

3）度電成本、運(yùn)行負(fù)荷、制氫效率與設(shè)備成本是電解水制氫技術(shù)降本的關(guān)鍵因素。

4）電解水制氫技術(shù)的規(guī)?；枰獓乙I(lǐng)、技術(shù)攻關(guān)、企業(yè)合作、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等各方面協(xié)同推動(dòng)。

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。