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隨著日益增長的（de）低碳減排需求，氫的綠色製取技術受到廣泛重視，利用可再生能源進行電解水（shuǐ）製氫是目前（qián）眾（zhòng）多氫氣來源方案中碳（tàn）排放最低（dī）的工藝。氫氣（qì）在儲能、化工、冶（yě）金、分布式發電（diàn）等領域的推廣應用，成為控製溫室氣（qì）體排放、減緩全球溫（wēn）度上升的有效途徑之一。堅持氫能（néng）綠色利（lì）用的初衷，積極發展以質子交（jiāo）換膜電解水製氫為代表的綠氫製備技術，實現與可再生能源的融合發展。

中國工程院衣寶廉（lián）院士科研團隊在中國工程院院（yuàn）刊《中國工程科（kē）學》撰文，梳理（lǐ）了氫能需求和規劃的進展、電解水製氫的示範項目情況，重點分析了（le）電解水製氫技術，涵蓋技術分類、堿水製氫應用、質子交換膜電解水（shuǐ）製氫。文章認為，提升電催化劑活性、提高膜電極中催化劑的利用率、改善雙極板表麵處理工藝（yì）、優化電解（jiě）槽結構，有助於提（tí）高質子交換膜電解槽的性能並降（jiàng）低設備（bèi）成本；質子交換膜電解水製氫技術的運行電（diàn）流密度高、能耗低、產氫壓力高，適應可再生能源發電的波動性特征（zhēng）、易於與可再生（shēng）能源消（xiāo）納相結合，是（shì）電解水製氫的適宜（yí）方案（àn）。文章結合氫儲運與電解製氫的技術特征研判、我國輸氫需求，提出（chū）發（fā）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吃瓜网管網，然（rán）後在（zài）用氫端從51吃瓜网管道（dào）取氣、重整製氫，由此構（gòu）成綠（lǜ）色製氫與長距離輸送的係統解決方案。

1、前言

回（huí）顧人類（lèi）所消耗的能源（yuán）形式，遠古時代的（de）鑽木取火、農耕時代（dài）開始使用的煤炭、工業時代（dài）大規模應用的石油與天（tiān）然氣，這些能（néng）源載體的變化體現了減碳加（jiā）氫、碳氫比降低的趨勢。當前，我國碳達（dá）峰、碳中和發展目標的提出（chū），將進一（yī）步提速減碳的過（guò）程。氫氣作（zuò）為零碳的能源載體，正在（zài）得到越（yuè）來越多的關注：2050年世界上20%的CO2減排可以通過氫能替代完成，氫（qīng）能消費將占世界能源市場的18%。

氫（qīng）利用的途徑主要是燃（rán）料電池移動（dòng）動力、分布式電站、化工加氫，新興發展的是氫燃料汽輪機（jī）、氫氣冶金（jīn）等（děng）。氫能的利用需要從製氫開（kāi）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（chéng）製取（qǔ）。氫氣的來源分為工業副產氫、化石燃料製氫、電解水製氫等途（tú）徑，差別在於原料的再生（shēng）性、CO2排放、製（zhì）氫成本。目前，世界上超過95%的氫氣製取來（lái）源（yuán）於化石燃料重整，生產（chǎn）過程必然排放CO2；約4%~5%的氫氣來源於電解水，生產過程沒有CO2排放。製氫過程按照碳排放強度分為灰氫（煤製氫）、藍氫（51吃瓜网製氫（qīng））、綠氫（電解水製氫、可再生能源（yuán））。氫能產業發展（zhǎn）初衷是零碳或低（dī）碳排放，因此灰氫、藍（lán）氫將會逐漸被基於可（kě）再（zài）生能源的綠氫所替代，綠氫是未來能源產業的發展方向。

近年來，可再生能源電解水（shuǐ）製氫在（zài）國際上呈現快速發展態勢，許（xǔ）多國家已經開始設定氫能在交通領域之外的工業、建築、電力等行業發展目標，在政府規劃、應用示範等（děng）方麵都有積極表現。本文主要（yào）就製備綠氫的（de）電（diàn）解水製（zhì）氫技術開展分析和展望（wàng），研究綠色製氫與（yǔ）長距離輸送的係（xì）統解決方案，為我國能源換代發展提供思路參考。

2、氫能發展態勢分析

2.1、氫（qīng）能（néng）需（xū）求

歐洲清潔氫能聯盟認為（wéi），氫能在能源（yuán）轉型過程中的作（zuò）用（yòng）主要有：實現大規模、高效可再生能源的消納，在不同行業和地區（qū）間進行能量再分配（pèi），充當能源緩衝載體以提高能源係（xì）統韌性，降低（dī）交（jiāo）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（pái）放。

從效率上看，氫利用的（de）首選是燃料電池，氫燃料電池技術的突破帶動了氫的市場需求。以（yǐ）氫為（wéi）燃料的質子交換（huàn）膜（PEM）燃料電池技術逐漸成熟，正在朝著產業化方向發展。日本豐田汽車公司（sī）2014年開始銷售氫燃料電池汽車（Mirai），累計銷售超過1×104輛；韓國現代（dài）汽車公司的燃料（liào）電池汽車銷售數量也相當。在亞洲汽車市（shì）場的率先推（tuī）動下（xià），世界燃料（liào）電池汽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（liàng）約1.24×104輛。鑒於燃料電池乘用車在商業化初期麵臨加氫困難等問題（tí），我國規（guī）劃提出將燃（rán）料電池首先應用於（yú）商用車，這一發展路徑獲得業（yè）界廣泛認可（kě），目前已（yǐ）有超過6000輛燃料電池商用車投入運行。

氫（qīng）能（néng）在非道路運（yùn）輸方麵的應用正在推廣。2018年，法國阿爾斯通（tōng）集團生產的燃（rán）料電池（chí）列車在德國投入運營，英國、荷蘭等國也在積（jī）極發展氫動力列車。中國中車股份有限公司2019年（nián）在（zài）廣東佛山開始運（yùn）行燃料電池有軌電車，同時開展（zhǎn）氫燃（rán）料（liào）列車方案的探索研究。

家庭熱電聯供和工業應用也增加了對低碳氫的需（xū）求。低碳工（gōng）業對氫的（de）需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵製造等行業，采用低碳氫替代高碳氫將是在短（duǎn）期內擴大需求、減少溫室氣體排放的契（qì）機。國際上（shàng）正進行低碳氫用於煉油、甲醇及氨生產（chǎn）的試驗。電解製氫（qīng）在鋼鐵行業的應用規模正在（zài）加（jiā）快擴展，在無需對現有直接還原（yuán）煉鋼爐進行重大改造的條件下，氫氣可替代35%的天然（rán）氣使用；還提出了氫氣與51吃瓜网混合應用的過（guò）渡性策略，以（yǐ）加快推進利用純氫（qīng）直接還（hái）原煉鐵的（de）進度，這對氫的儲運方式將產生重要的影響。

2.2、氫（qīng）能產業規劃

歐盟規定了電解槽製（zhì）氫響應時間（jiān）小於5s，目前隻有PEM電解水技術可達到（dào）這一要求。因此，歐盟規劃了PEM電解水製氫來逐漸取代堿性水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（néng）的戰略規劃，重點發（fā）展利用風能、太陽能等再生（shēng）能（néng）源來生產可再生氫；2020—2024年，支持安裝超過6 GW的可再生氫電解槽，產氫量（liàng）達1.0×106 t；2025—2030年，建設（shè）40 GW的可再生氫電解槽，產氫量達1.0×107 t；2030—2050年，可再生氫產業成熟，在眾多難以脫碳的行業（如航（háng）空、海運、貨運交通等）進行（háng）大規模應用。此外，德國2020年頒布了《國家氫能（néng）戰略》，提（tí）出以可再（zài）生（shēng）氫為重點，規劃布局德國綠氫（qīng）製造。

美國既重提（tí）煤的（de）高（gāo）效利用，也積極推動氫能的研發與應用。美國能源部（DOE）提出（chū）H2@Scale 規劃，推進氫的規模化應用。2019年，DOE大（dà）幅提（tí）高了對不同電解製氫材料與技術類研發項目的支持力（lì）度；2020年，在H2@Scale規劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開展PEM電解槽製造與規模（mó）化技術研發，涉及吉瓦級PEM電解槽的析氧催化（huà）劑、電（diàn）極、低成本PEM電解槽（cáo）組件及放大工藝（yì），資助金額均超過400萬美元。這表明，美國在製氫規模化方（fāng）麵偏重PEM電解的技術（shù）路線。另外，DOE支（zhī）持了氫冶（yě）金、氫與51吃瓜网混合輸送等技術（shù）研發，為氫（qīng）的規模化應用作全麵準備。

2.3、電解水製氫的示範進（jìn）展

在市場化進程方麵（miàn），堿水電解（AWE）作為（wéi）最為成熟的電解（jiě）技術占據著主導地位，尤其是一些大（dà）型項目的應用。AWE采用氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質，以石棉為隔膜，分離水（shuǐ）產生氫氣和氧氣，效率通常在70%~80%。一方麵，AWE在堿性（xìng）條件下可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、Co、Mn等），因而電解槽中的催化劑造價較低，但產氣中含堿液、水蒸氣等，需經輔助設備除去；另一方麵，AWE難以快速啟動或變載、無法快（kuài）速調節製氫的速度，因而與可再生能源發電的適配性較（jiào）差。我國AWE裝置的安裝（zhuāng）總量為1500~2000套，多數用於電廠冷卻用氫的製備，國產（chǎn）設備的最大（dà）產氫量為1000 Nm3/h。國內代表性企業有中國船舶集團（tuán）有限（xiàn）公司第七一八研究所、蘇州（zhōu）競（jìng）立製氫設（shè）備有限公司（sī）、天津市大陸（lù）製氫設備（bèi）有限公司等，代表性的製氫工程是（shì）河（hé）北建投新能源有限公司（sī）投資的沽源（yuán）風電（diàn）製氫項目（4 MW）。

圖（tú） 1 堿性液體水電解原理示意（yì）圖

由於PEM電解槽運行更加靈活、更適合（hé）可再生能源的波動性（xìng），許多（duō）新（xīn）建項目開始轉向選擇PEM電解槽（cáo）技（jì）術。過去數年，歐盟、美國、日本（běn）企業紛紛推出（chū）了PEM電解水（shuǐ）製氫產品，促（cù）進了應用（yòng）推（tuī）廣和規模化應用，ProtonOnsite、Hydrogenics、Giner、西門子股份公（gōng）司等相繼將PEM電解槽規格規模提高到兆瓦級。其中，ProtonOnsite公司的PEM水電解製（zhì）氫裝置的部署量超（chāo）過2000套（分布於72個國家（jiā）和地（dì）區（qū）），擁有（yǒu）全球PEM水電解製氫70%的（de）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（diàn）流密（mì）度超過（guò）3 A/cm2，50 kW水電解池樣機的高壓運行累計時（shí）間超過 1.5×105 h。

當前，國際上（shàng）在建的電解製氫項目規模增長顯著（zhe）。2010 年前後的多（duō）數電解製氫項目規模低（dī）於0.5 MW，而 2017—2019 年的項目規（guī）模基本為 1~5 MW；日本 2020 年投產了 10 MW 項目，加拿大正在（zài）建設 20 MW 項目。德國可再生能源電解製氫（qīng）的“Power to Gas”項（xiàng）目運行時間超過 10 a；2016 年西門子（zǐ）股份公司參與建造的 6 MW PEM 電解槽與（yǔ）風電聯用電（diàn）解（jiě）製氫係統，年產氫（qīng）氣 200 t，已於 2018 年實現盈利；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（jiě）水製氫項目，計（jì）劃將現有的 OGE 管道更換為專用的氫氣管道。2019 年，荷蘭啟（qǐ）動了 PosHYdon 項目，將集裝箱式製氫設備與荷蘭北海的電氣化（huà）油氣平台相結合，探索海上風電製氫的可行性。

3、電解水製氫技術分類

在（zài）技術層麵，電（diàn）解水製氫主要分為AWE、PEM水（shuǐ）電解（jiě），固體聚合（hé）物陰離子交換膜（AEM）水電解、固（gù）體氧化物（SOE）水電解。

其中，AWE是最早工業化的水電解技術，已有數十（shí）年的應用經驗，最為成熟；PEM電解水技術（shù）近年（nián）來產業化發展迅速，SOE水電解技（jì）術（shù）處於初（chū）步示範階段（duàn），而AEM水電解研究剛起步。從時間尺度上看，AWE技術在解決近期可再（zài）生能源（yuán）的消納方（fāng）麵易於快速部署和應用；但從技術角度看，PEM電（diàn）解水技術的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活（huó）、利於快速變載，與風電、光伏（發電的波動性和隨機性（xìng）較大）具有良好的匹配（pèi）性。隨著PEM電解槽的推廣應用，其成本有望快速下降，必然（rán）是未來5~10 年的發展（zhǎn）趨勢。SOE、AEM水電解的發展則取決於相關材料技術的突破情況（kuàng）。

4、PEM電解水製氫技術分析

PEM水電解槽采用PEM傳導質子，隔絕電極兩側的氣體，避免AWE使用強堿性液體電解質所伴生的缺點。PEM水電（diàn）解槽以PEM為電解質，以純水為反應物（wù），加之PEM的氫氣滲透率較低，產生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣；電解槽采用零間距（jù）結構，歐姆電（diàn）阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體（tǐ）積更為緊湊；壓力（lì）調控範圍大，氫氣輸出壓力可達數兆（zhào）帕，適應快速變化的（de）可（kě）再生能（néng）源電力（lì）輸入。因此，PEM電解水製氫是極具發展前景的（de）綠色製氫技術路徑。

也要注意到，PEM水電解製氫的瓶頸環節在於成本和壽命。電解槽成本中（zhōng），雙極板約占48%，膜電極約占10%。當前PEM國際（jì）先進水平（píng）為：單電池性能為2 A·cm–2@2 V，總鉑係催化劑載量為 2~3 mg/cm2 ，穩定運（yùn）行時間為 6×104 ~8×104 h，製氫成本約為每千克氫氣 3.7 美元。降低 PEM 電解槽成（chéng）本的研究集（jí）中在以催（cuī）化劑、PEM 為基礎材料的膜電極，氣體擴散層，雙極（jí）板等（děng）核心組（zǔ）件。

4.1、電催（cuī）化劑

由於PEM電解槽的陽（yáng）極處（chù）於（yú）強酸性環境（jìng）（pH≈2）、電解電壓（yā）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（dī）PEM傳導質子的能力。PEM 電解槽的電（diàn）催化（huà）劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬（shǔ）/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以鈦材（cái）料為載體的（de）負載型催化（huà）劑。

按照技術規劃目（mù）標，膜電極上的鉑（bó）族催化劑總（zǒng）負載量應降低到0.125 mg/cm2，而當前的陽極銥（yī）催化劑載量（liàng）在1 mg/cm2量級，陰極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（jí）催化劑總載量為1.5 mg/cm2時，電（diàn）解池性能可達3.2 A·cm–2@1.85 V。Giner公司研究團隊製備（bèi）出的 Ir0.38/WxTi1-xO2 催化（huà）劑在Ir載量為0.4 mg/cm2時的全電池性能達到2 A·cm–2@1.75V，Ir用量僅為傳統電極的1/5。

Ru 的電（diàn）催化（huà）析（xī）氧活性高（gāo）於 Ir，但穩定性差；通過與 Ir 形成穩定合金可提高催化劑的活性與穩定性。中國科（kē）學院大連化學（xué）物理研究所製備（bèi）的 Ir0.6Sn0.4 催化劑，在全電解池（chí）測試中的性能為 2 A·cm–2@1.82 V；IrSn 可形成穩定的固溶體結構，與 Sn 形成合金的過程提高了 Ir 的分散（sàn）性，有助於降低 Ir 載量。

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

受限於（yú） PEM 水電解製氫的酸（suān）性（xìng）環境、陽極高電位、良好導電性等要求，非貴金屬催化（huà）劑或非金屬催化劑（jì）的研（yán）發難度較大，預計一定時期內實際用（yòng）於大規（guī）模（mó）電（diàn）解槽的催化劑仍以 Ir 為主。未來降低製氫成本、減少貴金屬催化劑用量的（de）更好方（fāng）法是研發超低載量或有序化膜電極。

4.2、隔膜材（cái）料（liào）

在 PEM 方麵，目前（qián）常用的（de）產品（pǐn）有杜邦公司 Nafion 係列膜、陶氏化（huà）學 Dow 係（xì）列（liè）膜、旭硝子株（zhū）式會社 Flemion 係列膜、旭化成株（zhū）式會社（shè） Aciplex-S 係列（liè）膜、德山化學公司 Neosepta-F 等。Giner 公司（sī）研發的 DSMTM 膜已經（jīng）規模化生產，相比 Nafion 膜具有更好的（de）機械性能、更薄的厚度，在功率波動與啟停機（jī）過程中的尺寸穩定性良好，實際電解池的應用性（xìng）能較優。

為進一步提高PEM性能並降低（dī）成本，一方麵可采用增強複合（hé）的方案改善 PEM 的（de）機械性能，有利於降（jiàng）低膜的厚度；另一方麵，可通過提高成膜的離子傳導率來降低膜阻和電（diàn）解能耗，有利於提高電解（jiě）槽的整體（tǐ）性能。國產 PEM 產品進入（rù）了試用階段。

4.3、膜電極

PEM 電解水的陽（yáng）極需要耐酸性環境腐蝕、耐（nài）高電位腐蝕，應具有合適的孔（kǒng）洞結構以便氣體和水通過。受限於 PEM 電解（jiě）水的反應條件，PEM 燃料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無法用於水電解陽極。3M 公司研發了納米（mǐ）結構薄膜（NSTF）電極，陰陽兩極分別（bié）采用 Ir、Pt 催化劑（jì），載量均為 0.25 mg/cm2 ；在酸性環境及高電位條件下可以穩定工作，表麵的棒狀陣列結構有利於提高催化劑的表麵分散性。Proton 公司（sī）采用直接噴霧沉積法來減少催（cuī）化劑團聚現（xiàn）象，將載量 0.1 mg/cm2 的 Pt/C 和（hé） Ir，載量 0.1 mg/cm2 的 IrO2 沉積（jī）在 Nafion117 膜上（shàng）；單電解池的應用性（xìng）能（néng）與傳（chuán）統高（gāo）催（cuī）化（huà）劑載量電解池相（xiàng）似（1.8 A·cm–2@2 V），在 2.3 V 電壓下穩定工作（zuò） 500 h。

改善（shàn）集（jí）流器的性能也可提高電解槽性能。美國田（tián）納西大學研究團隊在鈦薄片上用模板輔助的化學刻蝕法製備出直徑小於 1 mm 的小孔，陽極集流器的厚度僅為 25.4 μm；相關集流器（qì）用於 PEM 水電解陰極，電解性能為 2 A·cm–2@1.845 V，陰極 Pt 催化劑載量僅為 0.086 m/cm2 。

4.4、雙（shuāng）極板

雙極板及流（liú）場（chǎng）占電解槽成本的比重較大，降低雙極板成本（běn）是控製電解槽成本的關鍵。在 PEM 電解槽陽極嚴苛的工作環境下，若（ruò）雙極板被腐蝕將會導致金屬離（lí）子浸出，進而汙染（rǎn） PEM，因此常用的雙極（jí）板保護措施是在表麵製備一層防腐塗層。Lettenmeier 等在不鏽鋼雙極板上用真空等離子（zǐ）噴塗方式製備 Ti 層以防止腐蝕，再用磁控濺射方（fāng）式製備 Pt 層以防止 Ti 氧化引起（qǐ）的導電（diàn）性降低；進一步研究發現，將 Pt 塗層換成（chéng）價格更低的 Nb 塗層，可維持（chí）相似的電解池性能，且電解池可穩定運行超過 1000 h。美國田納西大學研究團隊采用增材製造技術，在陰極雙極板上製作（zuò）出厚度為 1 mm 的不（bú）鏽鋼材料流場，在上麵直（zhí）接沉積一層厚度為 0.15 mm 的網狀氣體擴散層（céng）；該單電（diàn）池陰極阻抗極小，電池性能高（gāo）達 2 A·cm–2@1.715 V，但仍需要表麵鍍金以（yǐ）提高穩定（dìng）性。此外（wài），美（měi）國橡樹嶺國家實驗室、韓國科學技術研究院等機構也開展了係列化的 PEM 電解槽用雙極板研發工作。

4.5、電（diàn）解槽穩（wěn）定性

2003 年，Proton 公司完成了 PEM 電（diàn）解槽持續運行試驗（>6×104 h），衰減速率（lǜ）僅為 4 μV/ h。歐洲燃料電池和氫能聯合組織（zhī）提出的 2030 年技術目標，要求電解槽壽命達到 9×104 h，持續工作狀態下的衰（shuāi）減速率（lǜ）穩定在 0.4~15 μV/h。許多研究團隊著力探（tàn）索 PEM 電解槽中各部件的衰減機理，發現催化劑和膜的脫落、水（shuǐ）流（liú）量變化、供水（shuǐ）管路腐蝕（shí）等會導致歐姆阻抗提（tí）高，膜電極結構被破壞後會誘發兩側（cè）氣體滲（shèn）透並造成氫氣純度降低，溫（wēn）度 / 壓力變化、電流密度（dù）和功率負載循環也會影響部件衰（shuāi）減速率。中（zhōng）國科（kē）學院大連化學物理研（yán）究所對 PEM 電解槽進行了（le） 7800 h 衰減（jiǎn）測試，發現汙染（rǎn）主要來自於水源和單元組（zǔ）件的金屬離子；完（wán）成了供（gòng）水量、電流密度變化對 PEM 電解槽性能的影響（xiǎng）分析。法國研究人員建立了 46 kW 電解槽模型，預測了功率波動工況下（xià）的工作情況，在溫度（dù）較（jiào）高、壓（yā）力較低時，電解槽效率達（dá）到最高並可更（gèng）好適應功率波動（dòng）。

在推廣應用層（céng）麵，我國 PEM 電解水（shuǐ）製氫技術正（zhèng）在經曆從實驗室研發（fā）向市場化、規模化應用的階段變化，逐步開展示範（fàn）工程建（jiàn）設，如國（guó）網（wǎng）安徽省電力有限公司的兆瓦級氫能示範工程將於 2021 年年底建成投產（chǎn）。中國科（kē）學院大連化學物理研究所、陽光（guāng）電源股份有限公司（sī）共同建立的 PEM 電解水製氫聯合實驗室，針對 PEM 電解水技術（shù）產業化的關鍵問題，如廉價催化劑的活性與穩定性、膜滲透性、膜電極結構等開展研究攻關；針（zhēn）對雙極板、擴（kuò）散層等，發展高電流密度與高電壓條件下的廉價抗（kàng）腐蝕鍍層技術，著力提（tí）高電解效率、降低綜合成本。

5、氫儲運與電解（jiě）製（zhì）氫

5.1、氫的儲運方式

氫利用的重要前提是將氫的綠色製取與終（zhōng）端用戶（hù）通過安全可靠（kào）、經濟便捷的方式（shì）聯係起（qǐ）來，這就需要解（jiě）決氫的儲運問題。氫的儲運方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機化合物儲運氫、管道輸氫等，其中高壓儲氫、液氫、管道輸氫均（jun1）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，在200km距離以內（nèi），單輛魚雷車每天可運輸 10 t 氫，包括壓縮、存儲設備折（shé）舊費用在內的綜合運費約為 2 元/kg。材料儲氫安全（quán）性好（hǎo），但儲氫容量低（1%~2%），僅適合原地儲氫；若用於運輸，運輸費（fèi）用明顯過高。有機化合物儲運氫的儲氫量可達 5%~6%，運輸要求與液體燃料類似，到達目的地後需應（yīng）用脫氫設備進行（háng）脫氫處理，脫氫溫度約為 200 ℃。日（rì）本計劃采用甲苯（běn）與甲基環己（jǐ）烷的轉化過程來進行（háng）氫儲運，從澳大利（lì）亞向本土運（yùn）氫。

利用現有（yǒu）的51吃瓜网（qì）管道，將氫氣加壓後輸入，使氫氣（qì）與51吃瓜网混合（hé）輸送；在用氫端，從（cóng）管道提（tí）取51吃瓜网 / 氫氣混合氣（qì），進行重整（zhěng）製氫，這是快速儲運氫的新方向。PEM 電解水製氫的產（chǎn）氫壓（yā）力通常大於（yú） 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注入51吃瓜网管網。德國已有51吃瓜网管網 20% 混氫的工程案例。法國（guó） GRHYD 項目在 2018 年開始（shǐ）向51吃瓜网管網注入含氫氣（qì）（摻混率為 6%）的51吃瓜网（qì），2019 年氫氣摻（chān）混率達到（dào） 20%。英國在 HyDeploy 項目中實施（shī）了零碳（tàn）製氫，2020 年向（xiàng）天然（rán）氣管網注入氫氣（摻混率為 20%），驗（yàn）證了電解製氫注（zhù）入氣體管網的技術可行性。更為理想（xiǎng）的情況是（shì）新建純氫管道，歐洲（zhōu）多（duō）國啟動了輸送純氫管網的初步規劃論證，但開工建設尚需時日。

5.2、我國的輸氫（qīng）需求

我（wǒ）國西北地區的風能、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（zuò）為能源消耗中心的東部地區。我國海上風電資源也比（bǐ）較豐富，是繼英國、德國（guó）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（dì）區電網。利用這些可再生能源電力，通過 PEM 水電解方式獲得綠氫，將氫通過油氣公司現有的51吃瓜网管網輸送至全國各地（dì），這（zhè）為氫的長距離輸送、氫能可持續發展提供了新（xīn）的可行技術（shù）方（fāng）案。適（shì）時在管理層麵建立 PEM 電解水製氫、輸氫的規範和標準，保障氫能產業的（de）健康有序發（fā）展。

六、結語

氫氣在儲能、化工、冶金、分布式發電等領域（yù）的推（tuī）廣應用，成為控製溫室氣體排放、減緩全（quán）球溫度上升的（de）有效途徑之（zhī）一。堅持氫能綠（lǜ）色利用的初衷，積極發展以 PEM 電解水製氫為代表的綠氫製備技術，實現（xiàn）與可再生能源的融合發展。

PEM 電解水製氫技術具有（yǒu）運行電（diàn）流密度高、能耗低、產氫壓（yā）力高、適應可再（zài）生能（néng）源發電波動、占地緊湊的特點，具備了產業化（huà）、規模化發展的基礎條件。為（wéi）此建議：從電催化劑、膜電極、雙極板等關鍵材料與部件方麵入（rù）手，通過產能（néng）提升和技術進步來壓降成本，進而支持 PEM 電解製氫綜合成本的穩步（bù）下降；改善催（cuī）化劑活性，提高催化劑利用率，有效降低貴（guì）金屬用量；研發高效傳質的電極結構，進一（yī）步提高 PEM 電解的運行電流（liú）密（mì）度；提升雙極板（bǎn）的材料性能與表麵工藝，在降（jiàng）低成本的同時提高耐蝕性能（néng）。

隨著我國風、光、水等可再生能源的快速發展，預計電解水製（zhì）氫技術與應用將進入穩步上升期。為此建議：結合（hé）西北、西南、東北、沿海等（děng）地區可再生能源豐富的天然稟賦，加大利用可（kě）再生能源來進（jìn）行 PEM 電解（jiě）水製氫的示範（fàn）力度；結合商業化推廣，全麵降低 PEM 電解水製氫的成本，適應可（kě）再生能源規模化發（fā）展態勢；在西北、西（xī）南、東北、沿海等地區進行大（dà）規（guī）模的電解水製氫裝備應用，將高壓氫摻混後送入51吃瓜网管網，用氫地區則從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（cǎi）用（yòng）膜分離方法從混合氣中提取（qǔ）氫，氫濃（nóng）度低（dī）於 5% 時采用混合（hé）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。

電解水製氫技術研究進展與發展建議