摘要

我國氫能發(fā)展正迎來難得的機(jī)遇。一方面，我國石油、天然氣對外依存度逐步增大，2023年，我國原油對外依存度增值72.9%，較2022年增加了1.7%；天然氣對外依存度42.2%，較2022年增加1.8%。另一方面，因缺乏大規(guī)模調(diào)峰手段，北方地區(qū)建成的風(fēng)光不能充分消納，好的綠色能源項(xiàng)目也得不到開發(fā)。利用富余的風(fēng)光和低谷電力制氫，同時(shí)耦合工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳，不僅可以減少我國石油、天然氣對外依賴，有效保障我國能源安全；還可以擴(kuò)大綠色可再生能源生產(chǎn)和使用規(guī)模，同時(shí)實(shí)現(xiàn)近零排放。本文對可再生能源電解水制氫進(jìn)行介紹，并針對多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案進(jìn)行研究，展望可再生能源電解水制氫發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能；光伏；氫能；電解水制氫；電源控制系統(tǒng)；柔性制氫；新型電解槽

01

綠電制氫背景

2024年1月30日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布了《2023-2024年度全國電力供需形勢分析預(yù)測報(bào)告》。報(bào)告指出，2023年，全國全社會(huì)用電量9.22萬億千瓦時(shí)，電力生產(chǎn)供應(yīng)方面，截至2023年底，全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量29.2億千瓦，非化石能源發(fā)電裝機(jī)在2023年首次超過火電裝機(jī)規(guī)模，占總裝機(jī)容量比約50%，煤電裝機(jī)占比首次降至40%以下。

2024年4月22日，國家能源局發(fā)布1-3月份全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：截至3月底，全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約29.9億千瓦，同比增長14.5%。其中，光伏發(fā)電裝機(jī)容量約6.6億千瓦，同比增長55.0%；風(fēng)電裝機(jī)容量約4.6億千瓦，同比增長21.5%。

中國承諾力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，努力爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國以煤炭、石油為主要燃料，是世界碳排放第一大國，2023年，我國二氧化碳排放量超120億噸，要在36年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和，任務(wù)艱巨。“雙碳”目標(biāo)為我國未來綠色能源發(fā)展道路指明方向。面對能源消耗和環(huán)境污染等問題，大力開發(fā)利用光伏和風(fēng)電等可再生能源成為推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。由于風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電存在波動(dòng)性、間歇性，隨著可再生能源電力在電網(wǎng)中占比不斷提高，電網(wǎng)不穩(wěn)定性增加、安全性降低；再加上消納等問題存在，導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象出現(xiàn)，一定程度上影響和阻礙新能源發(fā)展。因此，目前亟需開發(fā)高效、大規(guī)模、長時(shí)可再生能源轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存技術(shù)，以解決可再生能源發(fā)電“源-網(wǎng)-荷”不平衡等問題。

氫能作為一種清潔低碳、靈活高效、來源廣泛、應(yīng)用多元的能源，是理想、可靠的大規(guī)模替代化石能源的能源載體，可實(shí)現(xiàn)富余風(fēng)光等可再生能源時(shí)間與空間的跨越，以物質(zhì)的形式將富余電力儲(chǔ)存起來，將其應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)中，有助于實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化發(fā)展，而電解水制氫技術(shù)，尤其是通過可再生能源發(fā)電制氫（即“綠電制氫”），可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。

基于此，本文對可再生能源電解水制氫現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并針對多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案進(jìn)行研究，最后對可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

02

風(fēng)光耦合柔性電解水制氫方案分析

風(fēng)電+光伏制氫系統(tǒng)運(yùn)行方式：風(fēng)光部分上網(wǎng)+余電制氫、風(fēng)光全離網(wǎng)獨(dú)立制氫和風(fēng)光離網(wǎng)+電網(wǎng)應(yīng)急電源制氫三種方式。

風(fēng)光部分上網(wǎng)+余電制氫結(jié)構(gòu)示意圖

目前來說“風(fēng)光部分上網(wǎng)+余電制氫”模式是最經(jīng)濟(jì)的，但是并網(wǎng)余電制氫主要目的是發(fā)電、售電。“風(fēng)光部分上網(wǎng)+余電制氫”系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器、儲(chǔ)氫裝置、升壓變壓器、制氫裝置、IGBT制氫整流電源、降壓變壓器、高壓電網(wǎng)、控制管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)主要是先將光伏發(fā)電、風(fēng)電并網(wǎng)，電解水制氫容量作為新能源并網(wǎng)配儲(chǔ)的強(qiáng)制指標(biāo)，電解水制氫消納一部分余電，并將制取的氫氣儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫裝置。風(fēng)光余電制取的綠氫儲(chǔ)存后，既可以作為氫能汽車的燃料來源，替代油氣資源；又能用于化工、冶金行業(yè)，降低工業(yè)領(lǐng)域的碳排放。

基于風(fēng)光全離網(wǎng)獨(dú)立電解水制氫，考慮氫氣終端的市場應(yīng)用需求，從不同角度分析電解水制氫設(shè)備與風(fēng)電、光伏機(jī)組耦合模式，典型的有以下兩種風(fēng)光離網(wǎng)制氫模式。

模式一：風(fēng)光發(fā)電+電解水制氫設(shè)備；模式二：風(fēng)光發(fā)電+電網(wǎng)應(yīng)急電源（儲(chǔ)能設(shè)施）+電解水制氫設(shè)備。以上面兩種制氫模式能獲得一定的的氫氣產(chǎn)量為分析標(biāo)準(zhǔn)。一定的氫產(chǎn)量，也就意味著電解水制氫裝置的出力是一定的，變量為風(fēng)光容量、在風(fēng)光無出力時(shí)是否從電網(wǎng)上購電，保證下游大規(guī)模化工（合成氨、甲醇）生產(chǎn)最低負(fù)荷生產(chǎn)。

本研究將前述模型應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)光氫儲(chǔ)氨一體化項(xiàng)目中，并進(jìn)行了仿真分析：

1.本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模為200MW。光伏場區(qū)共分為64個(gè)3.125MW光伏子陣。光伏場區(qū)采用540Wp型單晶硅雙面雙玻光伏組件、固定式支架安裝，配套35kV箱逆變一體機(jī)。接入新建220kV升壓站。光伏所發(fā)電量優(yōu)先供應(yīng)本項(xiàng)目制氫制氨系統(tǒng)使用。

風(fēng)光氫儲(chǔ)氨一體化項(xiàng)目結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

2.本項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模為200MW。風(fēng)電場共安裝32臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，配套35kV箱式變壓器。并接入新建220kV升壓站。風(fēng)電所發(fā)電量優(yōu)先供應(yīng)本項(xiàng)目制氫制氨系統(tǒng)使用。

3.制氫建設(shè)規(guī)模

設(shè)計(jì)能力：1.78萬噸/年氫氣產(chǎn)品（20000Nm3/h）。

年操作時(shí)間：8000小時(shí)。

制氫裝置中電解水制氫工序制氫規(guī)模100MW，分五組，每組20MW。

儲(chǔ)氫規(guī)模為140000Nm3。（5個(gè)低壓儲(chǔ)氫球罐:水容積2000立方米,壓力1.6Mpa）

4.合成氨建設(shè)規(guī)模

設(shè)計(jì)能力：合成氨12.5t/h，300噸/天。

年產(chǎn)量：10萬噸/年合成氨。

商品量：年產(chǎn)液氨產(chǎn)品10萬噸。

年操作時(shí)間：8000小時(shí)。

以該項(xiàng)目為基礎(chǔ)通過仿真模擬電-氫-氨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)整電力電量平衡、制氫機(jī)組梯度調(diào)動(dòng)負(fù)荷變化、制氫/合成氨系統(tǒng)物料平衡模擬、電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)模擬幾個(gè)方面分析本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案合理性。

風(fēng)光氫儲(chǔ)氨一體化項(xiàng)目年生產(chǎn)負(fù)荷曲線圖

1.風(fēng)光連續(xù)小出力時(shí)逐步停機(jī)常規(guī)制氫機(jī)組，調(diào)節(jié)靈活制氫機(jī)組滿足變化率要求。

2.可靠電源保證制氨設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)，合成氨調(diào)節(jié)范圍按50--110%。

3.按照風(fēng)光出力、用電負(fù)荷、儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)氫容量的差異分別設(shè)定控制策略。針對風(fēng)光出力無法滿足后端負(fù)荷最小需求的情況，需從網(wǎng)上購得應(yīng)急電量，以保證合成氨裝置最低安全負(fù)荷。

風(fēng)光氫儲(chǔ)氨一體化項(xiàng)目年生產(chǎn)仿真模擬圖

結(jié)論：根據(jù)以上合成氨能力12.5t/h，300噸/天的情況對制氫量、氫儲(chǔ)罐儲(chǔ)存/釋放氫氣與合成氨負(fù)荷變動(dòng)時(shí)不同工況下的氫需求量進(jìn)行綜合模擬，在設(shè)計(jì)儲(chǔ)氫能力14萬標(biāo)方（12.5噸）情況下，基本可以滿足全年運(yùn)行需求。

僅在7月中下旬出現(xiàn)儲(chǔ)氫罐完全放空且無足夠新能源發(fā)電制氫的極端情況。為此，根據(jù)模擬結(jié)果，另外設(shè)置5個(gè)1.5MPa，2000標(biāo)方水容積低壓氣態(tài)球形儲(chǔ)氫罐作為長時(shí)緩存措施，儲(chǔ)存能力14萬標(biāo)方，可滿足合成氨50%負(fù)荷工況下10h運(yùn)行需求，避免合成氨裝置停車造成經(jīng)濟(jì)損失。

03

風(fēng)光耦合柔性電解水制氫面臨的挑戰(zhàn)與運(yùn)行策略

3.1面臨的挑戰(zhàn)

電解水制氫消納風(fēng)、光等可再生資源或參與電網(wǎng)平衡調(diào)控時(shí)，電解水制氫工段的變負(fù)載運(yùn)行，受到自身工藝流程約束，無論是堿液電解水制氫技術(shù)（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)(PEM)、固態(tài)氧化物電解水制氫技術(shù)(SOEC)，都存在不同的挑戰(zhàn):電解槽調(diào)節(jié)范圍較窄負(fù)荷響應(yīng)率慢、低負(fù)載區(qū)域氫氧混合風(fēng)險(xiǎn)、頻繁波動(dòng)加速核心部件老化，這些都影響穩(wěn)定電解水制氫安全。

氫氣供應(yīng)給下游合成氨環(huán)節(jié)時(shí)，受以下因素影響:化工合成氨供氫流量需求大，受到電解槽單機(jī)容量限制，電解水制氫工段需要由多臺(tái)制氫設(shè)備構(gòu)成制氫系統(tǒng)，目前國內(nèi)已在運(yùn)行的1000Nm3/h的電解槽沒有經(jīng)歷長時(shí)間的性能驗(yàn)證，四合一堿性水電解制氫系統(tǒng)（四臺(tái)電解槽+一套分離系統(tǒng)+一套純化系統(tǒng)）在實(shí)際運(yùn)行中單槽出氫和出氧量不一致，運(yùn)行過程中氫氧流動(dòng)存在風(fēng)險(xiǎn)。

國內(nèi)現(xiàn)有眾多堿性電解槽廠家面臨同質(zhì)化困境，從公布信息來看，其結(jié)構(gòu)、性能并沒有太大區(qū)別。國內(nèi)堿性電解槽的同質(zhì)化可以概括為三個(gè)方面。

發(fā)展方向同質(zhì)化。當(dāng)前堿槽都以大功率為主攻方向，技術(shù)路線為增大電極面積、增加小室數(shù)量。這種“堆量方案”實(shí)現(xiàn)了堿性電解槽產(chǎn)氫量的快速突破，可以讓1000Nm3/h產(chǎn)品快速實(shí)現(xiàn)交付，但1000Nm3/h電解槽長度可達(dá)6米以上，重量超過40噸。堆量方案使得電解槽的體積與重量越來越大，繼續(xù)使用此方案增大產(chǎn)氫量，將面臨運(yùn)輸與維護(hù)成本過高、電解液密封性變差、反向電流腐蝕加劇等問題。

核心零部件同質(zhì)化。電極、隔膜、極板等材質(zhì)類似，結(jié)構(gòu)相近。國內(nèi)堿式電解槽絕大多數(shù)是拉桿式圓柱形電解槽，雙極板為圓形結(jié)構(gòu)，電極基底為鎳網(wǎng)，催化劑為鎳基合金，隔膜為聚苯硫醚（PPS）膜。目前國內(nèi)現(xiàn)有堿性電解槽的零部件幾乎都是傳統(tǒng)工業(yè)體系下技術(shù)已經(jīng)成熟的工業(yè)產(chǎn)品，并沒有過多的創(chuàng)新性與技術(shù)壁壘，在此情況下，產(chǎn)業(yè)更加成熟后，未來參與者會(huì)較為容易地找到供貨商并實(shí)現(xiàn)組裝與擴(kuò)大產(chǎn)能，產(chǎn)業(yè)鏈成本下降的同時(shí)，產(chǎn)品也會(huì)同時(shí)面臨嚴(yán)重的同質(zhì)化競爭。

電解槽性能同質(zhì)化。電流密度、直流電耗、電解效率等不具明顯區(qū)別。堿性電解槽的零部件同質(zhì)化造成了性能的同質(zhì)化。目前從公布的數(shù)據(jù)來看，大多數(shù)質(zhì)量較高的堿性電解槽直流電耗在4.8kWh/Nm3H2以上、電解產(chǎn)氫效率在75%左右、最低工作負(fù)載范圍大多在30%以上，且都是1.0-1.6MPa左右運(yùn)行。然而合成氨原料氣壓力要求高→通常超過10MPa，電解水制氫工段產(chǎn)氣壓力通常不超3MPa，二者不能直接耦合化工合成供氫平穩(wěn)性約束-電解水制氫工段負(fù)載調(diào)控速度較快(秒級(jí)、分鐘級(jí))，化工合成工段復(fù)雜，調(diào)控速度通常較慢(小時(shí)級(jí)、日級(jí))，二者之間需要配置緩沖環(huán)節(jié)，對國產(chǎn)無油氫氣壓縮機(jī)提出了更高要求。

3.2風(fēng)光制氫運(yùn)行策略

在可再生能源制氫過程中，為了實(shí)現(xiàn)減小啟動(dòng)時(shí)間、提高綜合能效以及延長設(shè)備運(yùn)行壽命的目標(biāo)，可以運(yùn)用多種策略進(jìn)行優(yōu)化。以下分別對均衡策略、效率優(yōu)先策略和壽命優(yōu)先策略進(jìn)行詳細(xì)介紹。

均衡策略： 在此策略下，目標(biāo)是確保各個(gè)電解槽間的負(fù)荷相對均衡，即平均分配工作量。這樣做的好處在于避免個(gè)別電解槽長時(shí)間處于過載或低載狀態(tài)，從而減小單個(gè)設(shè)備的磨損，延長整體系統(tǒng)的使用壽命。具體措施可能包括：動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配：通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)電解槽的運(yùn)行狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的均衡原則（如按容量比例分配等），動(dòng)態(tài)調(diào)整各電解槽的制氫負(fù)荷，力求達(dá)到相對均勻的工作強(qiáng)度。

協(xié)同工作模式：設(shè)計(jì)電解槽組之間的協(xié)同工作機(jī)制，如輪換工作、互補(bǔ)峰值等，使各個(gè)電解槽在不同的時(shí)間段或在應(yīng)對可再生能源功率波動(dòng)時(shí)，都能保持相對均衡的工作狀態(tài)。

效率優(yōu)先策略：這種策略的核心是根據(jù)可再生能源發(fā)電功率的實(shí)時(shí)變化來動(dòng)態(tài)調(diào)整制氫負(fù)荷，以最大限度地捕獲可用能源，提高系統(tǒng)整體能效。具體操作可能包括：實(shí)時(shí)功率跟隨：利用先進(jìn)的功率預(yù)測技術(shù)和快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)，使得制氫設(shè)備能夠迅速適應(yīng)風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電功率的波動(dòng)，當(dāng)發(fā)電功率增大時(shí)，相應(yīng)增大制氫負(fù)荷；反之則減小負(fù)荷，確保能源利用率最大化。

預(yù)判與主動(dòng)調(diào)控：通過預(yù)測可再生能源出力變化趨勢，提前調(diào)整電解槽負(fù)荷，避免突發(fā)的大功率變動(dòng)對設(shè)備造成沖擊。同時(shí)，設(shè)置合理的負(fù)荷變化速率限制，確保設(shè)備在負(fù)荷增減過程中溫和過渡。

壽命優(yōu)先策略：壽命優(yōu)先策略旨在通過最小化電解槽負(fù)荷的波動(dòng)來保護(hù)設(shè)備，延長其使用壽命。具體做法可能包括：保守負(fù)荷設(shè)定：設(shè)定電解槽的工作負(fù)荷在設(shè)備額定容量的一定范圍內(nèi)（如70%-80%），避免長期滿載或接近滿載運(yùn)行，因?yàn)檫@通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過熱、電極腐蝕加速等問題，縮短設(shè)備壽命。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的配合使用：在可再生能源出力不足或過剩時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池儲(chǔ)能、氫能儲(chǔ)能）介入，吸收多余電能或補(bǔ)充短缺電能，保證制氫設(shè)備能在較高效率區(qū)間穩(wěn)定運(yùn)行，避免頻繁啟停造成的效率損失。

平滑功率曲線：利用儲(chǔ)能系統(tǒng)、需求側(cè)管理或其他調(diào)節(jié)手段，盡可能平滑可再生能源的功率輸出曲線，減少因功率劇烈波動(dòng)導(dǎo)致的電解槽負(fù)荷頻繁調(diào)整，從而減輕設(shè)備機(jī)械應(yīng)力和電化學(xué)應(yīng)力。

總結(jié)：均衡策略側(cè)重于電解槽間的工作負(fù)荷分配均勻，效率優(yōu)先策略強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)跟隨可再生能源發(fā)電功率調(diào)整制氫負(fù)荷以提高能效，而壽命優(yōu)先策略則聚焦于通過減少電解槽負(fù)荷波動(dòng)來保護(hù)設(shè)備，延長其使用壽命。實(shí)際應(yīng)用中，制氫場站可根據(jù)實(shí)際情況和運(yùn)營目標(biāo)，靈活選擇或融合這些策略，以實(shí)現(xiàn)最佳的電解槽整體運(yùn)行性能。

04

氫能發(fā)展，裝備先行

可再生能源柔性制氫技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)與風(fēng)、光、儲(chǔ)、網(wǎng)等多種能源形式及多種應(yīng)用場景的柔性融合，成熟的可再生能源柔性制氫系統(tǒng)要能充分適應(yīng)光伏、風(fēng)電功率快速波動(dòng)和間歇特性，真正做到“荷隨源動(dòng)”“制儲(chǔ)運(yùn)加用”一體化系統(tǒng)集成和管理，那就需要穩(wěn)定、可靠、高負(fù)荷響應(yīng)率的制氫裝備。

4.1堿液電解水制氫裝置（ALK）

結(jié)合中外堿性電解槽發(fā)展趨勢及安全性、靈活性，輔助管理系統(tǒng)、電解槽結(jié)構(gòu)、核心材料等多個(gè)維度均是下一步堿性電解槽突破的方向，讓新型電解槽能實(shí)現(xiàn)高效啟停、快速投切等目標(biāo)，適應(yīng)可再生能源制氫項(xiàng)目需求是國內(nèi)外堿液電解槽廠家的首要任務(wù)。

在目前國內(nèi)堿性電解槽本身高度同質(zhì)化、而制氫輔助管理系統(tǒng)市場方面尚存在較大缺口的情況下，高效制氫輔助管理系統(tǒng)將是未來的一大熱門破局方向。

堿液電解槽三維結(jié)構(gòu)圖

電解槽的結(jié)構(gòu)關(guān)系到空間利用水平、流場分布情況等多個(gè)方面，是降低電解槽體積、電阻的重要方向。有廠家推出了新型堿性無極框方型電解槽，改變了傳統(tǒng)的極框結(jié)構(gòu)，將電極片做成方形，減少了原料的用量及電解槽的體積，解決了傳統(tǒng)電解槽重量大、占地廣、運(yùn)輸難的問題；還有廠家推出了可單池拆卸檢修的方形疊片式電解槽，流場分布更均勻能耗更低，可節(jié)約維修時(shí)間90%。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)積累支撐，而目前國內(nèi)大部分廠家的堿性制氫電解槽僅僅經(jīng)過了兩年左右的發(fā)展，電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不成熟；電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有較大潛力。

隔膜是造成電解槽的內(nèi)阻與額外能量損失的重要部位，大電流密度下影響更大。隔膜電阻越大，電流密度越高，造成的歐姆能量損失越嚴(yán)重。國內(nèi)電解槽多使用二代PPS膜，30℃下面電阻在1.0Ω/cm2以上，而國外三代復(fù)合隔膜僅在在0.1～0.2Ω/cm2之間；另一方面，國產(chǎn)三代復(fù)合隔膜在0.4Ω/cm2左右，與國外也有較大差距。據(jù)相關(guān)資料，從國內(nèi)現(xiàn)有商業(yè)膜更新到三代復(fù)合隔膜可降低電解槽能耗6%以上。減小隔膜電阻是提高堿槽電流密度必須攻克的方向，新型復(fù)合隔膜是下一步堿性電解槽突破的重點(diǎn)與必然方向之一。

電極在制氫電解槽中的作用是至關(guān)重要的，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，也是決定制氫電解槽的制氫效率的根本。堿性電解水的電極催化劑種類繁多，包括貴金屬基（如Pt,Pd,Au,Ag等）、非貴金屬基（如Fe,Co,Ni等），以及非金屬基（例如碳材料）的催化劑。但是目前在大型電解槽中用的催化劑大多是鎳基的，純鎳網(wǎng)或者泡沫鎳或者以此為基底噴涂的高活性鎳基催化劑（雷尼鎳、活化處理的硫化鎳、NiMo合金或者活化處理的NiAl等）。

盡管市場上存在眾多新型材料，但它們在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛性受到限制，一個(gè)主要的問題是催化劑與極板之間的接觸腐蝕（也稱電偶腐蝕）。這種電化學(xué)腐蝕發(fā)生在兩種不同金屬在電解質(zhì)中相互接觸時(shí)，由于構(gòu)成自發(fā)電池，較活潑的金屬（作為陽極）會(huì)受到腐蝕。例如，如果極板是由碳鋼制成而催化劑是鎳（Ni），由于鐵（Fe）比鎳更活潑，在電解液中容易發(fā)生鐵的腐蝕。為了防止這種情況，通常在極板表面鍍一層鎳來防止腐蝕。而如果使用昂貴的貴金屬催化劑（如金（Au）或鉑（Pt）），雖然催化性能可能提高，但為了防止接觸腐蝕，同樣需要在與催化劑接觸的極板上鍍上一層貴金屬，這無疑大大增加了成本。因此低成本高電流密度新型電極也是下一步堿性電解槽突破的重點(diǎn)與必然方向。

4.2質(zhì)子交換膜電解水裝置（PEM）

質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫裝置是指使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，并使用純水作為電解水制氫的原料的制氫過程。電解槽是制氫設(shè)備的核心單元，是水電解制氫氧的主要設(shè)備，在槽體內(nèi)充入電解液，在直流電的作用下使水發(fā)生分解，在陰極表面產(chǎn)生氫氣，陽極表面產(chǎn)生氧氣。水電解制氫主要發(fā)生場所為電解槽，電解槽將水在直流電的作用下電解成氫氣和氧氣。電解槽的每個(gè)電解小室分為陽極小室和陰極小室，陰極小室產(chǎn)生氫氣，陽極小室產(chǎn)生氧氣。

西門子Silyzer200PEM電解槽實(shí)物圖

PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層、雙極板，其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極（MEA），是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM電解槽的性能和壽命。

鉑、鈦、銥等貴金屬成為PEM電解槽擴(kuò)產(chǎn)的主要瓶頸，降低貴金屬使用率或開發(fā)替代材料是PEM電解槽的降低成本的未來發(fā)展趨勢。電解水制氫的成本主要取決于電力成本、電解槽投資成本和運(yùn)行負(fù)荷，其中電價(jià)對電解水制氫的敏感性影響最高，占 60%～70%。隨著電力成本下降，設(shè)備投資成本的占比逐漸增加。電解槽作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，其成本占系統(tǒng)成本的65%，雙極板約占系統(tǒng)成本的13%，膜電極約占系統(tǒng)成本的28%，其中貴金屬約占膜電極成本的40%。未來PEM電解槽的擴(kuò)產(chǎn)瓶頸不僅取決于貴金屬的高成本，而是因?yàn)橘F金屬極低的全球可供應(yīng)量，因此需要盡量降低貴金屬的使用量或開發(fā)其他非貴金屬替代材料。

目前我國制氫電解槽市場中，堿性電解槽占據(jù)主要市場約占95%，PEM電解槽占5%左右，AEM和SOEC目前仍在實(shí)驗(yàn)室階段，商業(yè)化程度較低。歐洲堿性電解槽和PEM電解槽的市場占比基本持平，未來中國電解槽市場PEM占有率將逐漸上升，歐洲國家在能源政策上會(huì)更加傾向于使用更適合風(fēng)光儲(chǔ)能的PEM路線，PEM啟停速度快，由于政策的支持加上多年P(guān)EM的研發(fā)，PEM產(chǎn)品的成本和堿性電解槽的成本差距不大，性能和耐久性等也和堿性有一定的競爭力。

整體來看，國內(nèi)相比于歐洲，PEM技術(shù)路線還有5-10年左右的技術(shù)差距，根據(jù)市場規(guī)律，在國內(nèi)PEM產(chǎn)品研發(fā)和風(fēng)光儲(chǔ)能項(xiàng)目發(fā)展下，未來PEM產(chǎn)品市場占有率逐步上升是可預(yù)見的事。

目前我國PEM產(chǎn)品并不成熟，成本保持在堿性電解槽的5-8倍，制氫功率電流密度和壽命等核心指標(biāo)還未達(dá)到先進(jìn)程度。目前國內(nèi)廠商電流密度為1-1.2A/cm2，海外成熟廠商電流密度為2A/cm2；根據(jù)美國DOE目標(biāo)，到2030年電流密度可提升至2.5-3A/cm2。參考海外成熟PEM廠商材料成本及用量，根據(jù)測算，電流密度從1A/cm2提升至2A/cm2，成本降低50%，提升至3A/cm2，成本降低67%。目前國內(nèi)貴金屬催化劑銥載量為2-4mg/cm2，海外成熟廠商貴金屬催化劑銥載量為1.2mg/cm2；根據(jù)美國DOE目標(biāo)，到2030年銥載量0.3mg/cm2。目前，銥?zāi)戤a(chǎn)量7-9噸（銥是鉑的伴生礦，且高度集中于南非，鉑年產(chǎn)量200噸左右，銥/鉑的伴生比例1/25），按電解電壓1.9V、電流密度2A/cm2，銥載量1.2mg/cm2可滿足PEM電解槽年產(chǎn)能28GW，銥載量0.3mg/cm2可滿足PEM年出貨量115GW。

未來適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)性且低成本的PEM電解槽會(huì)更加具有競爭力，堿液（ALK）+質(zhì)子交換膜（PEM）的組成的電解水制氫系統(tǒng)會(huì)成為風(fēng)光制氫系統(tǒng)的標(biāo)配。

05

大規(guī)模可再生能源柔性制氫發(fā)展前景

新能源的快速發(fā)展為電力和化工行業(yè)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，一方面，由于可再生能源電力消納問題導(dǎo)致大量的棄風(fēng)、棄光、棄水等能源浪費(fèi)；當(dāng)前，綠氫發(fā)展迎來多重機(jī)遇。“雙碳”共識(shí)正驅(qū)動(dòng)著全球氫能的發(fā)展，全球范圍內(nèi)，各國積極布局氫能，涉及多項(xiàng)綠氫補(bǔ)貼，通過“頂層設(shè)計(jì)+示范應(yīng)用補(bǔ)貼+地方產(chǎn)業(yè)規(guī)劃”共同促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。同時(shí)，可再生能源的大規(guī)模發(fā)展為綠氫發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，能源結(jié)構(gòu)中，可再生能源占比逐年提高，新型能源結(jié)構(gòu)催生了大規(guī)模、低成本的長時(shí)儲(chǔ)能需求，同時(shí)為綠電制氫提供電力來源。

此外，包含交通、電力、工業(yè)、建筑等場景在內(nèi)，氫能下游應(yīng)用逐漸呈多元化趨勢，規(guī)模逐年增長，也給綠氫發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇，其中，工業(yè)、交通是目前主要的應(yīng)用場景。氫能產(chǎn)業(yè)鏈長，是技術(shù)、資本密集型產(chǎn)業(yè)，目前來看，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚未成熟，多環(huán)節(jié)存在技術(shù)瓶頸，商業(yè)模式未成熟，經(jīng)濟(jì)性待提升。電解水制氫是未來發(fā)展方向。不過，中短期內(nèi)，我國氫源結(jié)構(gòu)將仍以煤、天然氣及工業(yè)副產(chǎn)氫為主，逐步擴(kuò)大氫能的應(yīng)用范圍。預(yù)計(jì)到2025年，中國制氫行業(yè)將形成工業(yè)副產(chǎn)氫提純?yōu)橹鳎稍偕茉粗茪湓圏c(diǎn)運(yùn)營的市場結(jié)構(gòu)。在綠氫制取方面，堿性和PEM電解水制氫技術(shù)短期內(nèi)將是市場主流路線。

采用大規(guī)模以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的耦合電解水制氫可以有效減少油氣進(jìn)口、化石能源應(yīng)用，極大地保障中國的能源安全；并且隨著未來中國風(fēng)電、光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，其裝機(jī)容量將不斷增加，加上國家政策的引導(dǎo)和支持，在風(fēng)電場或光伏電站配置電解水制氫系統(tǒng)，或采用輸電系統(tǒng)利用風(fēng)電和光伏發(fā)電來電解水制氫，所需成本將會(huì)越來越低，可再生能源大規(guī)模制氫是綠色、低碳能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化的希望，更是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型和后疫情時(shí)代發(fā)展動(dòng)能的重要路徑。

（作者系國家電投北京綠氫科技發(fā)展有限公司邢偉）