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(guó)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(guó)、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)模化和PEME制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

我國(guó)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(guó)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(chǎng)。但我國(guó)在電解水制氫技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定差距。

我國(guó)應(yīng)采取AE和PEME制氫技術(shù)并舉路線，重點(diǎn)提升電解槽關(guān)鍵材料及組件的性能，開發(fā)出高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的AE及PEME制氫設(shè)備，形成系統(tǒng)性、自主化的完整產(chǎn)品體系，滿足可再生能源制氫、傳統(tǒng)工業(yè)制氫及其他用氫場(chǎng)景的需求?！笆奈濉逼陂g重點(diǎn)推動(dòng)大容量AE制氫技術(shù)示范應(yīng)用，著力推動(dòng)PEME制氫技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，加強(qiáng)兩種技術(shù)融合應(yīng)用及電氫系統(tǒng)示范。具體電解水制氫技術(shù)路線如圖1所示。

在AE制氫技術(shù)方面，重點(diǎn)開發(fā)高活性、長(zhǎng)壽命析氫析氧催化電極，新型高氣阻、低電阻、環(huán)保型隔膜；開展堿性水電解槽流場(chǎng)模擬，優(yōu)化電解槽流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并基于基礎(chǔ)技術(shù)研究成果，開展零極距堿性電解槽設(shè)計(jì)。針對(duì)可再生能源制氫的需求，開發(fā)模塊化并聯(lián)的大規(guī)模電解制氫系統(tǒng)及其控制技術(shù)，開展快速變載工況的高效制氫技術(shù)研究，開發(fā)大規(guī)?？稍偕茉粗茪湔{(diào)度、控制技術(shù)，以及開發(fā)高壓堿性水電解制氫設(shè)備等。

圖1 電解水制氫技術(shù)路線圖

在PEME制氫技術(shù)方面，重點(diǎn)開發(fā)高性能納米級(jí)催化劑，低貴金屬擔(dān)載量、高耐久的膜電極組件，高孔隙率、低電阻集流體，國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜性能提升，并在突破核心技術(shù)和零部件的基礎(chǔ)上，加快相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

PEME設(shè)備集成方面，開展質(zhì)子交換膜電解槽功能組件的建模及流場(chǎng)模擬，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的零極距質(zhì)子交換膜電解槽，開發(fā)高一致性質(zhì)子交換膜電解槽組裝技術(shù)等。開展MW級(jí)PEME制氫系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，研究高功率密度下制氫設(shè)備的氣、熱管理技術(shù)。開發(fā)PEME制氫設(shè)備壽命快速評(píng)測(cè)技術(shù)，建立設(shè)備壽命數(shù)據(jù)庫(kù)。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，需進(jìn)行以下課題開發(fā)：

1）高效、長(zhǎng)壽命堿性水電解制氫技術(shù)（2025年）

關(guān)鍵材料與組件方面，開發(fā)高活性析氫、析氧催化電極，深入研究材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，評(píng)測(cè)工況條件下新電極的壽命，開發(fā)易于實(shí)現(xiàn)的高效、長(zhǎng)壽命催化電極制備技術(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

研發(fā)功能涂層材料，克服編織結(jié)構(gòu)隔膜經(jīng)緯線間空隙大的缺點(diǎn)，以及開展聚合物復(fù)合隔膜、超細(xì)纖維無(wú)規(guī)堆砌的非織造隔膜等新型結(jié)構(gòu)隔膜的研發(fā)工作，開發(fā)出高離子傳導(dǎo)性、高氣阻、低電阻、環(huán)保型堿性水電解隔膜。開展高壓密封材料研究，開發(fā)高壓堿性水電解制氫設(shè)備。

設(shè)備開發(fā)方面，開展全系列堿性水電解槽流場(chǎng)模擬，分析高氣液比流體在電解小室狹小空間內(nèi)的流體流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化電解槽流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開展新型零極距堿性電解槽設(shè)計(jì)，降低電解槽材料接觸電阻。開發(fā)模塊化并聯(lián)的電解制氫設(shè)備集成優(yōu)化、制造技術(shù)及負(fù)荷耦合控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)大容量制氫設(shè)備線性擴(kuò)容，滿足規(guī)?；稍偕茉粗茪湫枨蟆２⑨槍?duì)大容量AE制氫設(shè)備開展氣液處理等單元設(shè)備及工藝系統(tǒng)重構(gòu)研究，優(yōu)化單元設(shè)備設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)集成度及自動(dòng)化控制水平。

可再生能源耦合制氫方面，開發(fā)百兆瓦級(jí)大規(guī)模可再生能源制氫系統(tǒng)，建立通用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、集成調(diào)度與運(yùn)維控制規(guī)范，為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究可再生能源波動(dòng)對(duì)壽命的影響、開發(fā)可再生能源制氫綜合能效評(píng)價(jià)技術(shù)。開發(fā)大規(guī)?？稍偕茉粗茪浯髷?shù)據(jù)管理平臺(tái)。

2）高效低成本MW級(jí)PEME制氫系統(tǒng)（2025年）

關(guān)鍵材料及組件方面，開展低擔(dān)載量貴金屬納米催化劑及其載體研究，開發(fā)催化劑宏量制備技術(shù)，降低催化劑成本。研究催化劑中毒失活機(jī)理及關(guān)鍵影響因素，提高催化劑的壽命。開展低貴金屬擔(dān)載量、高耐久性的膜電極組件研究，評(píng)測(cè)其性能、壽命等關(guān)鍵指標(biāo)，掌握膜電極制備關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)膜電極制備的關(guān)鍵配套設(shè)備。

開發(fā)高孔隙率、低電阻的鈦基、碳基等材質(zhì)的集流體，分析厚度、孔隙率、電阻率、氣體擴(kuò)散速率等參數(shù)間的關(guān)系，形成最優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高PEME設(shè)備的性能。開發(fā)廢舊膜電極組件負(fù)載貴金屬材料的回收及再生利用技術(shù)，降低設(shè)備全周期的成本。

系統(tǒng)設(shè)備方面，開展質(zhì)子交換膜電解槽極板及集流體功能組件的建模及流場(chǎng)模擬，分析其流體流動(dòng)及傳質(zhì)傳熱的特征，優(yōu)化極板及集流體的設(shè)計(jì)?；诓牧霞敖M件的研究成果，開展新型零極距質(zhì)子交換膜電解槽設(shè)計(jì)，降低電解槽材料接觸電阻及其制造成本。開展MW級(jí)PEME制氫系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，研究高功率密度下制氫設(shè)備的氣、熱管理技術(shù)。開發(fā)PEME制氫設(shè)備壽命快速評(píng)測(cè)技術(shù)，建立設(shè)備壽命數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）P2G場(chǎng)景下高效、長(zhǎng)壽命電解水制氫技術(shù)（2030年）

研究PEME電解槽質(zhì)子交換膜在輸入功率波動(dòng)工況下的衰減機(jī)理，明確影響因素，開發(fā)延緩質(zhì)子膜衰減的電解槽運(yùn)行控制技術(shù)。研究變載工況下PEME電解槽的功率響應(yīng)特性，開發(fā)變載工況下的高效電解制氫控制技術(shù)。研究大功率PEME電解槽余熱回收利用技術(shù)。開發(fā)系統(tǒng)綜合能效評(píng)價(jià)技術(shù)，形成科學(xué)可靠的可再生能源制氫評(píng)價(jià)體系。

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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目和國(guó)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。