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電解水制氫技術主要有堿性水電解（Alkaline Electrolyzer, AE）制氫技術、質子交換膜水電解（Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME）制氫技術和固體氧化物水電解（Solid Oxide Electrolyzer, SOE）制氫技術。

目前，PEME制氫技術的瓶頸在于設備成本較高、壽命較低，且實際的電解效率還遠低于理論效率（其制氫效率潛力有望超出AE制氫技術，因此歐美發(fā)達國家正重點開展技術攻關以突破技術瓶頸，實現PEME制氫技術的更大發(fā)展。SOE制氫技術采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，理論能效最高，但該技術尚處于實驗室研發(fā)階段。目前，美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦AE制氫技術規(guī)?；蚉EME制氫技術產業(yè)化，重點圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設備成本”三個關鍵降本性能指標推進整體技術研發(fā)。

我國在電解水技術領域呈現出以AE制氫為主、PEME制氫技術為輔的工業(yè)應用狀態(tài)。其中我國AE制氫設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逐步向大容量（單體設備產氫量大于或等于1000m3/h）方向發(fā)展。MW級PEME制氫設備目前正處于研發(fā)狀態(tài)，有望在1~2年內投放市場。

但我國在電解水制氫技術方面與國外先進水平仍有一定差距，具體技術對標與國產化情況如圖1所示。

圖1 電解水制氫技術對標與國產化情況

AE制氫技術方面，我國在制氫效率技術指標上仍有較大改進空間。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0.4A/cm2@1.8V以上。我國堿性電解槽的直流電解能耗約為54kW?h/kgH2，電解效率約65%，低于國外先進堿性電解槽約70%的電解效率。主要受制于關鍵材料及組件方面的技術，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構的無石棉隔膜，其厚度為（1.0±0.1）mm、離子電阻率為（1.0±0.2）Ω?cm2，國外研制的有機無機復合隔膜的厚度為（0.5±0.05）mm、離子電阻率約為0.3Ω?cm2，其性能遠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用，有效提高了電解電流密度及電解效率。

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

PEME制氫技術方面，我國正在抓緊攻關，技術性能尤其是壽命尚缺乏市場驗證。在制氫效率方面，我國PEME制氫設備的電流密度約為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制氫設備的電流密度已達1.5A/cm2@1.92V，電解效率約為66%。在設備壽命方面，國外PEME設備的壽命約為60000h左右，我國尚缺乏驗證。設備成本方面，國內外PEME制氫設備的成本均遠高于AE制氫設備，平均設備成本約為10000元/kW。

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

國產催化劑的壽命、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鍵組件，我國的制造水平也落后于歐美發(fā)達國家，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、電解槽結構的優(yōu)化設計等，提高電解槽的能量利用率與耐久性。

此外，作為PEME制氫技術重點應用領域的可再生能源制氫應用項目部署也落后國外?？稍偕茉粗茪湫枰朔斎牍β什▌庸r下的安全、壽命、高效電解制氫技術。

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

本文編自2022年第11期《電工技術學報》，論文標題為“碳中和目標下電解水制氫關鍵技術及價格平準化分析”。本課題得到了國家重點研發(fā)計劃、國家能源集團科技創(chuàng)新項目和國華投資公司科技創(chuàng)新項目（碳中和愿景下公司氫能發(fā)展路徑研究）資助的支持。