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隨著日益增長的（de）低碳減排需（xū）求，氫的綠色製取技術受到廣泛重視，利用可再（zài）生能源進行電解水製氫是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低（dī）的工藝。氫氣在儲能、化工、冶金、分布（bù）式發電等（děng）領（lǐng）域的推廣應用，成為控製溫室氣體排放、減緩（huǎn）全球溫度（dù）上升的有（yǒu）效途徑之一（yī）。堅持氫能綠色利用的初衷，積極發展以質子交換膜（mó）電（diàn）解水製氫為代表的綠氫製備技（jì）術，實現與可再生能（néng）源的融合發展。

近期，中國工程院（yuàn）衣寶廉院士科研團隊在中（zhōng）國（guó）工程院院刊（kān）《中國工程科（kē）學》撰（zhuàn）文，梳理了（le）氫能需求和規劃（huá）的進展、電解水製氫的示範項目情（qíng）況，重點分析了電解水製氫技術，涵蓋技術分（fèn）類、堿水（shuǐ）製氫（qīng）應用、質子交換膜電解水製氫。文章認為，提升電催化劑活性、提高（gāo）膜電極中催化（huà）劑的利用率、改（gǎi）善雙極板表麵處理工藝、優化電解槽結構，有助於提高質子交換膜電解槽的性（xìng）能並降低設備成（chéng）本；質子交換膜（mó）電解水製氫技術的運行電流密度高、能耗低、產氫壓力高，適應可再生能源發電的波動（dòng）性特征、易於與可再生能源（yuán）消納相結合，是電解水製氫的適宜方案。文章結合氫儲運與電解製氫的技術特征研判、我國（guó）輸氫需求，提出（chū）發展建議：利用西北、西南、東北等區域豐富的可再生能源，通過電解水製氫產生高壓氫；氫送入51吃瓜网管（guǎn）網，然後（hòu）在用氫（qīng）端從51吃瓜网管道取氣、重整製氫（qīng），由此構成綠色製氫（qīng）與長距離（lí）輸送的係統解決方案。

一、前言

回顧人類所消耗的能源形式，遠古時代的鑽木取火（huǒ）、農耕（gēng）時代開始使（shǐ）用的煤炭、工業時（shí）代大規模應用的石油（yóu）與（yǔ）51吃瓜网，這些能源（yuán）載體的變化體現了減碳加氫、碳氫比降低的趨勢。當前（qián），我國碳達峰、碳中和發展目標的提（tí）出，將進一步提速（sù）減碳的過程。氫（qīng）氣作為零碳的能源載體，正在（zài）得到越（yuè）來越多的關注：2050年世界（jiè）上20%的CO2減排（pái）可以通過氫能替（tì）代完成，氫能消費將占世界能源市場的18%。

氫利用的途徑主要是燃料電池移動動力、分布式電（diàn）站、化工加氫，新興發展的是氫燃料汽輪機、氫氣冶金等。氫能的利用需要從製氫開始，由於氫氣在自然界極少以單質形式存在，需要通過工業過程製取。氫（qīng）氣（qì）的（de）來源分為工業副產氫（qīng）、化石燃料製氫、電解（jiě）水製氫等途徑，差別在於（yú）原料的（de）再生性、CO2排放、製氫成本。目前，世界上超過95%的氫氣製取（qǔ）來源於化石燃料（liào）重整，生產過（guò）程必然排放CO2；約4%~5%的氫氣來（lái）源於電解水，生產過程沒有CO2排放。製氫過程按照碳（tàn）排（pái）放強度分（fèn）為灰氫（煤（méi）製氫）、藍氫（天（tiān）然氣製氫）、綠氫（電解水製氫、可再生能源（yuán））。氫（qīng）能產業發展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氫、藍氫將會逐漸被基於可再生（shēng）能源的（de）綠（lǜ）氫所替代，綠氫（qīng）是未（wèi）來能源產（chǎn）業的發展方向。

近年來，可再（zài）生能源電解（jiě）水製氫在國際上（shàng）呈現快速發（fā）展態勢，許多國家已經（jīng）開始設（shè）定氫能在交通領（lǐng）域之外（wài）的工業、建築（zhù）、電力等行業發展目（mù）標，在政府規劃、應用示範等（děng）方麵都有（yǒu）積極表現。本（běn）文主要就製備綠氫的電解水製氫技術開展分（fèn）析和展望，研究（jiū）綠色製氫與長距離輸送的係統解決方案，為我國能源換代發展提供思路參考。

二、氫能發展態勢（shì）分析

（一）氫能需求

歐洲清潔氫能聯（lián）盟認為，氫能在能源轉型過程中的作用主要有：實現大規模、高效可再生能源的消納，在不同行業和（hé）地區間進行能量再分配，充當能源緩（huǎn）衝載體（tǐ）以提高能源係統韌性，降低交通運輸過程中的碳排放，降低工業用能領域的碳排放，代替焦炭用於冶金工業，降低建築采暖的碳排放。

從效率上看，氫利用的首選是燃料電池，氫燃料電池技術的（de）突破帶動了氫的市場需求。以氫為燃料的質子交換膜（PEM）燃料電池技術逐漸成熟，正在朝著產業化方向發展。日本豐田（tián）汽車公司2014年開始銷（xiāo）售氫燃料（liào）電池汽車（Mirai），累計銷（xiāo）售超過1×104輛；韓國現代汽車公司的燃（rán）料電池汽車銷售數量也相當。在亞洲汽車市場的率先推動下，世界燃料電池汽（qì）車市場開始蓬勃發展，2019年世界燃料電池汽車保有量約為2.52×104輛，年銷售量約1.24×104輛（liàng）。鑒於燃料電池乘用車在商業化初期麵臨加氫困難等問題，我國規劃提出將燃料電池首先應（yīng）用於商用（yòng）車，這一發展路徑獲得業（yè）界廣泛認可，目（mù）前已有超過6000輛燃料電池（chí）商用車投入運行。

氫能在非道路運輸方麵的應用正在（zài）推廣。2018年，法國阿爾斯通集（jí）團生（shēng）產的燃（rán）料電池（chí）列車在德國投（tóu）入運營，英國、荷蘭（lán）等國也在積極發展氫動（dòng）力列車。中國中車股份有限公司2019年在廣東佛山開始運行燃料電池有軌電車，同時（shí）開展氫燃料列車方案的探索研究。

家庭熱電（diàn）聯供和工業應用也增加了對低（dī）碳氫的需求。低碳工業對（duì）氫的需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵（tiě）製造等（děng）行業，采用低碳氫替代高碳氫將是在短期內擴（kuò）大（dà）需（xū）求、減（jiǎn）少溫室（shì）氣體排放的契機。國（guó）際上（shàng）正進行低碳氫用於（yú）煉油（yóu）、甲醇及氨生產的試驗（yàn）。電解製（zhì）氫在鋼鐵行業的應用規模正在加快擴（kuò）展，在無需對現有直接（jiē）還原煉鋼爐進行重大（dà）改造的條件下，氫氣可替代35%的51吃瓜网使用（yòng）；還提出了氫氣與51吃瓜网混合應（yīng）用的過渡性（xìng）策略（luè），以加快推進利用純氫直接還原煉鐵的進（jìn）度，這（zhè）對（duì）氫的儲（chǔ）運方式將產生重要的影響（xiǎng）。

（二）氫能產業規（guī）劃

歐盟（méng）規定了電解槽製氫響（xiǎng）應時間小（xiǎo）於5 s，目前隻有PEM電解水技術（shù）可達到這（zhè）一要求。因此，歐盟規劃了PEM電解水製氫來逐漸取代堿性水（shuǐ）電解製氫的發展路徑：2020年7月，歐（ōu）盟委員會發布了涉及氫能的戰略（luè）規劃，重點發展利用風能、太陽能等再生（shēng）能（néng）源來生產可再生氫（qīng）；2020—2024年，支持安裝（zhuāng）超過6 GW的（de）可再生氫電解槽，產氫（qīng）量達（dá）1.0×106 t；2025—2030年，建設40 GW的（de）可再生氫電（diàn）解槽（cáo），產氫量（liàng）達1.0×107 t；2030—2050年，可再生氫產業（yè）成熟，在眾多難以脫碳的（de）行業（如航空、海運、貨運交（jiāo）通等）進行大規模（mó）應用。此外，德國2020年（nián）頒布了《國家氫能戰略》，提出以可再生氫為重點，規（guī）劃布（bù）局德國綠氫（qīng）製造。

美國既重提煤的高效利用，也（yě）積極推動氫能的研發與應用。美國能源部（DOE）提出H2@Scale 規劃，推進（jìn）氫的規模化應用。2019年，DOE大幅提高了對不同電解製氫材料與技術類研（yán）發項目（mù）的支持力度；2020年，在H2@Scale規（guī）劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開展PEM電解槽製造與規模化（huà）技術研發，涉及吉瓦級（jí）PEM電解（jiě）槽的析（xī）氧催化（huà）劑、電極、低成本PEM電解槽組件及放大工藝，資助金額均超過400萬美（měi）元。這表明，美國在製氫規（guī）模化方麵偏重PEM電解的技術路線。另外，DOE支持了（le）氫（qīng）冶金、氫與51吃瓜网（qì）混合輸送等技術研發，為（wéi）氫的規模化應用作全麵準備。

（三（sān））電解水製氫的示（shì）範進（jìn）展

在市場化進程方麵，堿水電解（AWE）作為最（zuì）為成熟的電解技術占據著主導（dǎo）地位，尤其是一些大型項目（mù）的應用。AWE采用氫氧化鉀（KOH）水溶液（yè）為電解質，以石棉為隔膜，分離水產生氫氣和氧氣，效率通常在70%~80%。一（yī）方（fāng）麵，AWE在堿性條件下（xià）可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、Co、Mn等），因而（ér）電解槽中的催（cuī）化劑造價較低，但產氣中含堿液、水蒸氣等，需經輔助設備除去（qù）；另一方（fāng）麵，AWE難以快速啟動或變載、無法快速調節製氫的速度，因而與可再（zài）生能源發電的適配性較差。我國AWE裝置（zhì）的安裝總（zǒng）量為1500~2000套，多數用於電廠冷卻用氫的製備，國產設備的最大產氫量為1000 Nm3/h。國內代表性企業有（yǒu）中國船舶集團有限公司第七一八（bā）研究所（suǒ）、蘇州競立（lì）製氫設備有限（xiàn）公司、天津市大陸製氫設備有限公司等，代表性的製氫工程是（shì）河北建投新能源有限公司投資的沽源（yuán）風電製氫項目（4 MW）。

圖（tú） 1 堿性液體水電解原理示意圖

由於PEM電解槽（cáo）運行更加靈活、更適合可再生能（néng）源的波動性，許多新建項目開始轉向選擇PEM電解槽技術。過去數年，歐盟、美國（guó）、日本企業紛紛推出了PEM電解水製氫產（chǎn）品，促（cù）進了應用推廣和規模化應用，ProtonOnsite、Hydrogenics、Giner、西門子股份公司等相繼將PEM電解槽規格規（guī）模提高到兆瓦級。其中，ProtonOnsite公司的（de）PEM水電解製氫（qīng）裝置的部署量超過2000套（分（fèn）布於72個國家和地區），擁有全球PEM水電解製氫70%的市場份額，具備集成10 MW以上製氫係統的能力；Giner公司單個PEM電解槽規格達5MW，電流密度超過3 A/cm2，50 kW水電解池樣機的高壓（yā）運行累計時間超（chāo）過（guò） 1.5×105 h。

當前，國際上在建的電解製（zhì）氫（qīng）項目規模增長顯著。2010 年前後（hòu）的多數電解製氫項目規模低於（yú）0.5 MW，而 2017—2019 年的項目規模基本為 1~5 MW；日本 2020 年投產了 10 MW 項目，加拿大正（zhèng）在建設 20 MW 項（xiàng）目。德國可再生能源電解製氫的“Power to Gas”項目運行時間超過 10 a；2016 年西門子股份公司參與建造的 6 MW PEM 電解槽與風電聯用電解製氫係統（tǒng），年產氫氣 200 t，已於 2018 年實現（xiàn）盈利；2019 年德國天然（rán）氣管網運營商 OGE 公司、Amprion 公司聯合實施 Hybridge 100 MW 電解水製氫項目，計劃將現有的 OGE 管道更換為專用的氫氣管道。2019 年，荷蘭啟動了 PosHYdon 項目，將集裝箱式製氫設備與荷蘭北海（hǎi）的電氣化油氣平台相結合，探（tàn）索海上風（fēng）電製氫的可行（háng）性。

三、電解水製氫技術分類

在（zài）技（jì）術層麵，電解水製氫主要分為AWE、PEM水電解（jiě），固體聚合物陰離子（zǐ）交換膜（AEM）水電解、固體氧化物（SOE）水電解，相關特性對比（bǐ）見表1。

其中，AWE是最早工業化的水電（diàn）解技術，已有數（shù）十年的應用經驗，最為成熟；PEM電解水技術近（jìn）年來產業化發展迅速（sù），SOE水電解技術處於初步示範階段，而（ér）AEM水電解研（yán）究剛起步。從時間尺（chǐ）度上看，AWE技術（shù）在解決近期（qī）可再生能源的消納方麵易於快速部署和應用；但從技術角度看，PEM電解水技術的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利（lì）於快速變載，與風電、光伏（發電的（de）波動性和隨機（jī）性（xìng）較大）具有良好的匹配性。隨著PEM電解槽的推廣應用，其成本有望快速下降，必（bì）然是未來5~10 年的（de）發展趨勢。SOE、AEM水電解（jiě）的發展則取決於相關材料技術的突破情況（kuàng）。

表1 4 種水電解技術特性（xìng）

圖 2 質子交換膜水電解製氫原理

四、PEM電解水製氫技術分析

PEM水電解槽采用PEM傳導質子，隔絕（jué）電極兩側的氣（qì）體，避免AWE使用強堿性液體電解質所伴生的缺點。PEM水（shuǐ）電解槽以（yǐ）PEM為電解質，以（yǐ）純水為反應物，加之PEM的氫（qīng）氣滲透率較低，產生的氫氣純度高（gāo），僅（jǐn）需脫除水蒸氣；電解槽采用零間距結構，歐姆電阻較（jiào）低，顯著提高電解過程的整（zhěng）體效率，且體積更為緊湊；壓力調控範圍（wéi）大，氫氣輸出壓力可達（dá）數兆帕，適應快速變化的可再生能源電力輸（shū）入。因（yīn）此，PEM電解水製氫是極具發展前景的綠色製氫技術路徑。

也要（yào）注意到，PEM水（shuǐ）電解（jiě）製氫的瓶（píng）頸環節（jiē）在於成本和壽命。電解（jiě）槽成本中，雙極板約占48%，膜（mó）電極約占10%。當前PEM國際（jì）先進水（shuǐ）平為：單電池（chí）性能為2 A·cm–2@2 V，總鉑係催化劑載量為（wéi） 2~3 mg/cm2 ，穩定運行時間為 6×104 ~8×104 h，製（zhì）氫成（chéng）本約為每千克（kè）氫氣 3.7 美元。降低（dī） PEM 電解槽成本的研究集中在以催（cuī）化劑、PEM 為基礎（chǔ）材料的膜電極，氣體擴（kuò）散層，雙極板等核心組件。

（一）電催化劑

由於PEM電解槽的陽極處於強酸性環境（pH≈2）、電解電壓為1.4~2.0 V，多數非貴金屬會腐蝕並可能與PEM中的磺酸根離子結合，進而降低PEM傳導質（zhì）子的能力。PEM 電解槽的電催化劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物及其二元、三元合金/混合氧（yǎng）化物，以鈦材料為載體的負載型（xíng）催化劑。

按照技術規劃目標，膜電（diàn）極上的鉑族催化劑（jì）總負載量應（yīng）降低到0.125 mg/cm2，而當前的陽極銥催化劑載量在1 mg/cm2量級，陰極（jí）Pt/C催化劑的Pt 載量約為 0.4~0.6 mg/cm2 。意大利研究團隊製備的 Ir0.7Ru0.3Ox 催（cuī）化劑在陽極催化劑總（zǒng）載量為 1.5 mg/cm2 時，電解池性能可達 3.2 A·cm–2@1.85 V。Giner 公司研究團隊製備出的 Ir0.38/WxTi1-xO2 催化劑在 Ir 載量為 0.4 mg/cm2 時的全電池性能達到 2 A·cm–2@1.75 V，Ir 用量僅為傳統電極的1/5。

Ru 的電（diàn）催（cuī）化析氧活性高於 Ir，但穩定性差；通過與 Ir 形成穩定合金（jīn）可提高催化劑的活性與穩定性。中國科（kē）學院大連化學物理研究所製備的 Ir0.6Sn0.4 催化劑（jì），在全電解池測試（shì）中的性能為 2 A·cm–2@1.82 V；IrSn 可形成穩（wěn）定的固溶體（tǐ）結構，與 Sn 形成合（hé）金的過程提高了 Ir 的分散性，有助於降低 Ir 載量。

美國可再生能源國家實驗室、Giner 公司合作研發了多種金屬有機框架（MOF）材料催化劑，價格僅為傳統催化劑的（de） 1/20，其中（zhōng） Co-MOFG-O 催化劑在 0.01 A/cm2 下的過電位為（wéi） 1.644 V(vs. RHE)，在半電池衰減（jiǎn）實驗中的性能優於傳統 Ir 催化劑，但尚未開（kāi）展全（quán）電池（chí）測試。

受限於 PEM 水（shuǐ）電解製氫的酸性環（huán）境、陽極高電位（wèi）、良好導（dǎo）電性等要求，非貴金屬催化劑或非（fēi）金屬催化劑的研（yán）發難度較大，預（yù）計（jì）一定時期內（nèi）實際用於大規模電（diàn）解槽的催化劑仍以 Ir 為主。未（wèi）來降低製氫成本、減少貴金屬催化劑（jì）用量的更好（hǎo）方法是研發超低載量或有序化膜電極。

（二）隔膜材料

在 PEM 方麵，目前常用的產品有杜邦公司 Nafion 係列膜、陶氏化學 Dow 係列膜、旭硝子株式會社 Flemion 係列膜、旭化成株式會社 Aciplex-S 係列膜（mó）、德山（shān）化學公（gōng）司（sī） Neosepta-F 等。Giner 公（gōng）司研發（fā）的 DSMTM 膜已經規模化生產，相比 Nafion 膜具有更好的機械性能、更薄的厚度，在功率波動與啟停機過程中（zhōng）的尺寸（cùn）穩定性良好，實際（jì）電解池的應用性能較優。

為進一步提高 PEM 性能並降低成本，一方麵可采用（yòng）增強複合的方案改善（shàn） PEM 的機械性能，有利於降（jiàng）低膜的厚（hòu）度；另一方麵，可通過提高成膜的離子傳導率來降（jiàng）低膜（mó）阻（zǔ）和電解能耗，有利於提高電解槽的整體性能。國產 PEM 產品進入（rù）了試用階段。

（三）膜電極（jí）

PEM 電解水的陽極（jí）需要（yào）耐酸性環境腐蝕、耐高電位腐蝕，應具有合適的孔洞結構以便氣體和（hé）水通過。受限於（yú） PEM 電（diàn）解水的反應條件，PEM 燃料電池中常用的膜電極（jí）材（cái）料（如碳材料）無法用於水電解陽極。3M 公司（sī）研發了納（nà）米結構薄膜（NSTF）電極，陰陽兩極分別采用 Ir、Pt 催化劑，載量均為 0.25 mg/cm2 ；在酸性環境及高電位條件下可以穩（wěn）定工作，表麵的（de）棒狀陣列結構有利於提高（gāo）催化劑的表麵分散性。Proton 公司采用直接噴霧沉積法來（lái）減（jiǎn）少催化劑團聚現象（xiàng），將載量 0.1 mg/cm2 的（de） Pt/C 和（hé） Ir，載量 0.1 mg/cm2 的 IrO2 沉（chén）積（jī）在 Nafion117 膜上；單電解池的應用性能與傳統高催化劑載（zǎi）量電解池相似（1.8 A·cm–2@2 V），在（zài） 2.3 V 電（diàn）壓下穩定工作 500 h。

改善集流器的性能也可提高電解槽性能。美國田納西大學研究團隊在（zài）鈦薄片上用模板輔助的化學刻蝕（shí）法製備出直（zhí）徑小於 1 mm 的小孔，陽（yáng）極集流器的厚度僅為 25.4 μm；相關（guān）集流器用於 PEM 水（shuǐ）電解陰極，電解性能為 2 A·cm–2@1.845 V，陰極 Pt 催化劑載量僅（jǐn）為 0.086 m/cm2 。

（四）雙極板

雙（shuāng）極板（bǎn）及流場占電解槽成本的比重較大（dà），降低雙極板成本是控製電解槽成本的關鍵（jiàn）。在 PEM 電解槽陽極（jí）嚴苛的工作環境下，若雙極板被腐蝕將會導致金屬離子浸出，進而（ér）汙染 PEM，因此常用的雙極板保（bǎo）護措施是在表麵（miàn）製備（bèi）一層（céng）防腐塗層（céng）。Lettenmeier 等在不鏽鋼雙極板上用真空等離子噴塗（tú）方式製備 Ti 層以（yǐ）防止（zhǐ）腐蝕（shí），再用（yòng）磁控濺射（shè）方式製備 Pt 層以防止 Ti 氧化引起的導電性降低；進一步（bù）研究發現，將（jiāng） Pt 塗層（céng）換成價格更低的 Nb 塗層，可維持相似的電解池（chí）性能，且電解池可穩（wěn）定運行超過 1000 h。美國田納西大學研究團隊采用增（zēng）材（cái）製造技術，在陰極雙極板上製作出厚度為 1 mm 的不鏽鋼材料流場，在上麵（miàn）直接沉積（jī）一層厚度為 0.15 mm 的網狀氣體擴散層；該單電池陰極阻抗極（jí）小（xiǎo），電池性（xìng）能高達 2 A·cm–2@1.715 V，但仍需要表麵鍍金以提高穩（wěn）定性。此外，美國（guó）橡樹嶺國家實驗（yàn）室、韓國科學技術研（yán）究院等機構也開展了（le）係列化的 PEM 電解槽用雙極板研發工作。

（五）電解槽穩定性

2003 年，Proton 公（gōng）司完成了 PEM 電解槽持續運行（háng）試驗（>6×104 h），衰減（jiǎn）速率僅為 4 μV/ h。歐洲（zhōu）燃料電池和氫能聯合組織提出的 2030 年技術目標，要求電解槽壽命達（dá）到 9×104 h，持續工作狀態下的衰減速率穩定在 0.4~15 μV/h。許多研究團隊著力探索 PEM 電解槽中各部件的衰減機理，發現催（cuī）化劑和膜的脫落、水流量變（biàn）化、供水管路腐蝕等會導致歐姆阻（zǔ）抗提高（gāo），膜電極結構被（bèi）破壞後會誘發（fā）兩側氣體滲透（tòu）並造成氫氣純度降低，溫度 / 壓力變化、電流密（mì）度和功率負載循環也會影（yǐng）響部件（jiàn）衰減速率。中國科學（xué）院大連化學物理研究所（suǒ）對 PEM 電解槽進行了 7800 h 衰減測試，發現汙染主要來自於水源和（hé）單元（yuán）組件的金屬離子；完成了供水量、電流密（mì）度變化對 PEM 電解槽性能的影響分析。法（fǎ）國研究人員建立了 46 kW 電解槽模型，預測（cè）了功率（lǜ）波動工況下的工作情況，在溫度較高、壓力較低時，電解槽效率達到最高並可更（gèng）好適（shì）應功率波動。

在推廣應用層麵，我國 PEM 電解水製氫技術正（zhèng）在（zài）經曆（lì）從實驗室研（yán）發向市場化、規模（mó）化應用的階段變化，逐步開展示範工程建設，如國（guó）網安徽省電力有（yǒu）限公司的兆瓦級氫能示（shì）範工（gōng）程將於 2021 年年底（dǐ）建成投產。中國科學院大連化學物理研究所、陽光電源股份有限公司共同建立的 PEM 電（diàn）解水製氫聯合實驗室，針對 PEM 電解水技術產（chǎn）業化的關鍵問（wèn）題，如廉價催化劑的活性與穩定性、膜滲（shèn）透性（xìng）、膜電極結構等開展研究攻（gōng）關；針（zhēn）對雙極板、擴散層等，發展（zhǎn）高電流密度與高電壓條（tiáo）件下的廉價（jià）抗腐（fǔ）蝕（shí）鍍層（céng）技術，著（zhe）力提高（gāo）電解（jiě）效率、降低綜合成本。

五、氫儲運與電解製（zhì）氫

（一）氫的儲運方式

氫利用（yòng）的重要前提是將氫的綠色製取（qǔ）與終端用戶通過安全可靠、經濟便捷的方式聯係起來，這就需要（yào）解決氫的（de）儲運問題。氫的儲運方（fāng）式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有（yǒu）機化合物（wù）儲運氫、管道輸氫等，其中高壓儲氫、液氫、管（guǎn）道（dào）輸氫均需加壓氫氣，因而具有較高壓力的 PEM 電解製氫具有與儲氫需求匹配的天然優勢。

高壓儲運氫是中小量用氫的常用方法（fǎ），在 200 km 距離以內，單輛魚雷車每天可運輸（shū） 10 t 氫，包括壓縮、存儲設備折舊費用在內的綜（zōng）合運費約為 2 元/kg。材料（liào）儲氫（qīng）安全（quán）性好，但儲氫容量低（1%~2%），僅適（shì）合原（yuán）地儲氫（qīng）；若用於運輸，運輸費用明顯過高。有機化合（hé）物儲運氫的儲氫量可達 5%~6%，運輸要求與液體燃（rán）料類似，到達目的地後需應用脫氫設備（bèi）進行脫氫處理，脫氫溫度（dù）約為 200 ℃。日本計劃（huá）采用甲苯與甲基環己烷的轉化過程來（lái）進行氫儲運，從澳大利亞向本土（tǔ）運氫。

利用現有的51吃瓜网管道，將氫氣加壓（yā）後輸入，使氫氣與51吃瓜网混合輸送；在用氫端，從管道（dào）提取51吃瓜网 / 氫（qīng）氣混（hún）合（hé）氣，進行重整製（zhì）氫（qīng），這是快速儲運氫的新方向。PEM 電解水製（zhì）氫（qīng）的產氫壓力通常大於 3.5 MPa，很容易提升至 4 MPa，因而 PEM 電解生產的氫氣無需額外的加壓過程即可直接（jiē）注入51吃瓜网管網。德國已有天然（rán）氣管網 20% 混氫的工程案例。法國 GRHYD 項目在 2018 年開始向51吃瓜网管網注入含氫氣（摻混（hún）率為 6%）的51吃瓜网，2019 年氫氣摻混率達到 20%。英國在 HyDeploy 項目中實施了（le）零（líng）碳製氫，2020 年向51吃瓜网管（guǎn）網注入氫氣（摻混率為 20%），驗（yàn）證了電解製氫注入氣體管網的技術可（kě）行性。更為理想的（de）情況是（shì）新建純氫（qīng）管道，歐洲多國啟（qǐ）動（dòng）了輸送純氫管網的初步規劃論證，但開工建設尚需時日（rì）。

（二）我國的輸氫需求

我國西北地區的風（fēng）能（néng）、太陽能資源豐富，西南地區（qū）的水電資源豐富，需（xū）要將相應電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區。我國海上風電資源也比較豐富，是繼英國、德國之後的世界第三大海上風電國家，快速發展的海上風電需要接入東部沿海地區電網。利用這些可再生能源（yuán）電力，通過 PEM 水電解方式獲得綠（lǜ）氫，將氫通過油氣公司現有的51吃瓜网管（guǎn）網輸送至全國各地，這為氫的（de）長距離輸送、氫能可持續發展提供了新的（de）可行技術方案（àn）。適時在管理（lǐ）層麵建立 PEM 電解（jiě）水製氫（qīng）、輸氫的規範和標準，保障氫能產業的（de）健康有序發展（zhǎn）。

六、結語

氫氣在儲能、化工、冶金、分布式發電等領（lǐng）域的推廣（guǎng）應用，成為控製溫室氣體排放、減緩全球溫度上（shàng）升的有效途徑之一。堅持氫能綠（lǜ）色利（lì）用的初衷（zhōng），積極發展（zhǎn）以 PEM 電解水製氫為（wéi）代表的綠氫製備技術，實現與可再（zài）生能源的融合發展。

PEM 電解水製氫（qīng）技術具有（yǒu）運行電流密度高、能耗（hào）低、產氫壓力高、適應可再生能（néng）源發電波動、占地（dì）緊湊（còu）的特點，具備了（le）產業化、規模化發展的（de）基礎條件。為此建議（yì）：從（cóng）電催化劑、膜電（diàn）極、雙（shuāng）極板等（děng）關鍵材料與部件（jiàn）方麵入手，通（tōng）過產能提升和技術進步來壓降成本，進（jìn）而支持 PEM 電解製氫綜合成本的穩步下降；改善催化（huà）劑活性，提高催化劑利用率，有效降低貴金（jīn）屬用量；研（yán）發高效傳質的電極（jí）結構，進一步提高 PEM 電解的（de）運行（háng）電流密（mì）度；提升雙極板的材料性能與表麵工藝，在降低成本的同時提高耐蝕性能。

隨著我（wǒ）國風、光、水等可再生能源的快速發展，預計電解水（shuǐ）製氫技術（shù）與應用將進入穩步上升期。為此建議：結合西北、西南（nán）、東北、沿（yán）海等地區可再生能源豐富的天然稟賦（fù），加大利用可再生能源來進行 PEM 電解水製（zhì）氫的示範（fàn）力度；結合商業（yè）化推廣，全（quán）麵降低 PEM 電解水製氫的成本，適應可再生能源規模化發展態勢；在西北、西南、東北（běi）、沿海等地區進行大規模（mó）的電解（jiě）水製氫裝備應用，將（jiāng）高壓氫摻混後送入51吃瓜网（qì）管網，用（yòng）氫地（dì）區則從（cóng）51吃瓜网管道中取（qǔ）氫；51吃瓜网中的氫濃度為 5%~20% 時用氫地區采用膜（mó）分離方法從混合氣中提（tí）取氫，氫濃（nóng）度低於 5% 時采用混合氣重整製氫方法，由此既不增加 CO2 排放，也具有長距離輸氫的技術可實現性。

幹貨｜電解水製氫技術研（yán）究進展與（yǔ）發展建議