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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)。

從發(fā)展歷程來看，堿性水電解在20世紀前后開始實現(xiàn)堿性水電解制氫技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，在經(jīng)歷了單極性到雙極性、小型到大型、常壓型到加壓型、手動控制到全自動控制的發(fā)展歷程后，堿性水電解制氫技術(shù)已逐步進入成熟的工業(yè)化應(yīng)用階段。20世紀70年代起，質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)開始獲得發(fā)展，并以其制氫效率高、設(shè)備集成化程度高及環(huán)境友好等特點成為水電解技術(shù)的研究重點，逐步實現(xiàn)從小型化到兆瓦級的發(fā)展。

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(shù)），因此歐美發(fā)達國家正重點開展技術(shù)攻關(guān)以突破技術(shù)瓶頸，實現(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(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，重點圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設(shè)備成本”三個關(guān)鍵降本性能指標推進整體技術(shù)研發(fā)，電解水制氫成本結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析如圖1所示。

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

美國在2011年就制定了電解水制氫技術(shù)路線圖，如圖2所示，以2.3美元/kg制氫成本為目標，設(shè)定了系統(tǒng)電解效率大于或等于75%，電解槽電解效率大于或等于77%，系統(tǒng)投資成本0.5$/kg的發(fā)展目標。

在技術(shù)路線上，以PEME技術(shù)攻關(guān)為主，AE和SOE等多種電解水技術(shù)并行發(fā)展。在技術(shù)開發(fā)上，PEME制氫技術(shù)具體則側(cè)重質(zhì)子交換膜、貴金屬催化劑等關(guān)鍵核心材料研究，以獲得更高的電解效率與壽命；同時，開展低擔載量納米貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑等的研究開發(fā)，AE制氫技術(shù)，重點推進高溫堿性電解水裝置的開發(fā)，推進高效率研究。

圖2美國電解水制氫技術(shù)關(guān)鍵指標目標

歐洲在2013年制定了電解水制氫技術(shù)路線，同樣以PEME技術(shù)為主、多種電解技術(shù)協(xié)同發(fā)展，技術(shù)關(guān)鍵指標目標如圖3所示。其中，2023年的技術(shù)目標為：電解能耗≤50(kW?h)/kgH2@1000kg/d、電解槽效率年衰減量小于1%（額定功率下年操作時間8000h）、設(shè)備投資成本小于1.5M€/(t/d)。

PEME技術(shù)方面，歐洲一方面通過催化劑和電解質(zhì)膜等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的研究與開發(fā)，提高電解效率，聚焦MW級系統(tǒng)設(shè)計，降低設(shè)備投資成本；另一方面則建立PEME技術(shù)的性能評價與劣化評價體系，科學開展技術(shù)的系統(tǒng)經(jīng)濟效能評價。AE制氫方面，歐洲進行了高溫與高壓兼容性堿性電解水裝置的開發(fā)，并通過優(yōu)化外圍設(shè)備和操作條件，進一步提高制氫效率。

圖3歐盟電解水制氫技術(shù)關(guān)鍵指標目標

日本在2014~2018年通過氫氣利用等先驅(qū)研發(fā)項目和氫社會構(gòu)建技術(shù)研發(fā)項目，著力推動堿性電解水裝置開發(fā)，尤其是2000N?m3/h大規(guī)模電解槽技術(shù)。2019年，日本通過對標美國與歐洲電解水技術(shù)開發(fā)路線，制定了AE與PEME水電解技術(shù)10年技術(shù)攻關(guān)目標，注重電堆反應(yīng)機理和耐久性評價方法與標準化研究，并根據(jù)可再生能源發(fā)電量預(yù)測、電力供需調(diào)整、氫氣需求等各種信息，進行系統(tǒng)層級優(yōu)化，提高電流密度、效率和耐久性，相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵指標目標如圖4和圖5所示。

總的來說，各國均對AE、PEME制氫技術(shù)同時進行技術(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)模放大為主要目標進行技術(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、膜組件等核心材料和組件的研究及應(yīng)用，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，歐洲開展了電解水制氫裝備性能評價與劣化評價的研究，在電解水制氫技術(shù)發(fā)展中具有重要意義。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。

圖4 日本堿性電解水制氫技術(shù)目標

圖5日本質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)目標

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“碳中和目標下電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)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。