氫能作為一種高效且環(huán)保的能源載體，在未來能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 氫氣的來源

目前，全球約96%的氫屬于化石能源生產(chǎn)的“灰氫”?！盎覛洹彪m短期內(nèi)具有成本優(yōu)勢，但大量CO?排放不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。碳捕集技術(shù)的發(fā)展可一定程度上減少碳排放，但發(fā)展低碳排放的制氫技術(shù)才是解決這一問題的根本途徑。

水電解制氫可以在電力的驅(qū)動作用下將原料水直接分解為氫氣和氧氣，這一過程幾乎是零碳排放。耦合可再生能源發(fā)電和水電解制氫將真正意義上實現(xiàn)氫氣制取的零碳排放，得到所謂的“綠氫”，同時氫作為儲能介質(zhì)，可以平抑可再生能源電力的波動性，推動風電、光電的大規(guī)模利用。

因此，發(fā)展水電解制氫技術(shù)，是推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)雙碳目標的重要技術(shù)手段。

水電解制氫技術(shù)

根據(jù)國際能源署預測，到2050年全球氫需求量將大幅增長至5.3億噸，其中水電解生產(chǎn)氫氣的比例將從5%上升至60%以上。

時下主要的水電解技術(shù)有四種:堿性水電解（ALK）、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜水電解（AEM）和固體氧化物水電解（SOEC）。

圖：電解水制氫的工藝流程圖  

 1—整流裝置  2—離子凈化器  3—電解槽  

4—氣體分離及冷卻設備  5—氣體洗滌塔  6—電解液儲罐 

7—氣罐  8—過濾器  9—壓縮機  10—氣體精制塔  

11—干燥裝置  12—高壓氫氣氧氣儲存及裝瓶

堿性水電解制氫（ALK）

堿性水電解制氫是目前最成熟、應用最廣的技術(shù)，以20%-30% KOH溶液為電解液，工作電流密度為0.2-0.5A/cm2，能耗為4.5-5.5kWh/m3H?，但由于采用多孔陶瓷或者聚合物膜等物理隔膜，目前最常用的是聚苯硫醚（PPS）隔膜，但仍存在動態(tài)響應差、堿液腐蝕、壓力-液位控制困難、串氣安全問題等缺點。

陰離子交換膜（AEM）

為解決這些問題，一些學者提出使用氣密性良好、電阻性低且成本較低的陰離子交換膜來替代隔膜，即陰離子交換膜（AEM）水電解，不僅可以解決堿性電解的串氣問題，還可以降低堿液濃度并提高電流密度。但由于研究起步較晚，技術(shù)還不夠成熟，陰離子交換膜的壽命尚無法滿足大規(guī)模商業(yè)化需求。

質(zhì)子交換膜水電解（PEM）

區(qū)別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導性、氣體阻隔性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代各膜來隔絕陰極兩極的氣體，并傳遞質(zhì)子。因此，PEM水電解可以直接用純水進行電解，避免了堿液因與CO?反應產(chǎn)生的不溶性碳酸鹽造成的堵塞以及堿液排放或者泄露造成的污染等問題。

此外，PEM電解槽采用零間隙結(jié)構(gòu)設計，體積更為緊湊，占地面積小，極大降低了電解槽的歐姆內(nèi)阻，使得PEM電解制氫工作電流密度更高（?1A/cm2），直流電耗更低[4.0-5.0kWh/m3H?]。因為質(zhì)子交換膜的氣體阻隔性更好以及采用純水電解，所以電解產(chǎn)生的氫氣純度更高（>99.99%）、壓力更大（3~7MPa），從而降低了氫氣純化以及氫氣壓縮所消耗的能量。

最后，相比于堿性水電解，PEM水電解動態(tài)響應速度更快，負荷范圍更寬，因此與波動性可再生能源電力系統(tǒng)的適配性更好。

固體氧化物水電解（SOEC）

SOEC水電解技術(shù)在電解器件設計和工作條件上與前三種制氫技術(shù)有明顯不同之處。SOEC采用全固態(tài)電解槽設計，使用多孔金屬陶瓷Ni/YSZ作陰極、鈣鈦礦氧化物等非貴金屬催化劑作陽極，常用電解質(zhì)為YSZ基氧離子導體或BZCY基質(zhì)子導體，工作溫度可達600℃以上，但對材料在高溫下的化學穩(wěn)定性、熱機械穩(wěn)定性以及高溫密封提出了較高要求，限制了該技術(shù)的推廣應用。

不同水電解制氫技術(shù)的性能對比

考慮到未來制氫技術(shù)與可再生能源耦合使用的需求，針對可再生能源的間歇性和波動性，具有響應速度快、啟停迅速特點的PEM水電解制氫技術(shù)無疑是最合適的選擇。其主要研究方向是包括降低電極催化劑使用量、增強質(zhì)子交換膜導電性、提升材料穩(wěn)定性和壽命等。

隨著相關(guān)材料和工藝的進一步突破，PEM電解制氫技術(shù)必將在可再生能源負荷平衡和綠色氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。