電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展

1、電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展摘要： 隨著日益增長(zhǎng)的低碳減排需求， 氫的綠色制取技術(shù)受到廣泛重視， 利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多氫氣來(lái)源方案中碳排放最低的工藝。 本文梳理了氫能需求和規(guī)劃的進(jìn)展、 電解水制氫的示范項(xiàng)目情況， 重點(diǎn)分析了電解水制氫技術(shù)，涵蓋技術(shù)分類(lèi)、堿水制氫應(yīng)用、質(zhì)子交換膜（ PEM電解水制氫。研究認(rèn)為， 提升電催化劑活性、 提高膜電極中催化劑的利用率、 改善雙極板表面處理工藝、優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)，有助于提高PEM電解槽的性能并P1低設(shè)備成本；PEM電解水制氫技術(shù)的運(yùn)行電流密度高、 能耗低、 產(chǎn)氫壓力高， 適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征、 易于與可再生能源消納相結(jié)合， 是電解

2、水制氫的適宜方案。 結(jié)合氫儲(chǔ)運(yùn)與電解制氫的技術(shù)特征研判、我國(guó)輸氫需求，提出發(fā)展建議：利用西北、西南、 東北等區(qū)域豐富的可再生能源， 通過(guò)電解水制氫產(chǎn)生高壓氫； 氫送入天然氣管網(wǎng)， 然后在用氫端從天然氣管道取氣、 重整制氫， 由此構(gòu)成綠色制氫與長(zhǎng)距離輸送的系統(tǒng)解決方案。一、前言回顧人類(lèi)所消耗的能源形式， 遠(yuǎn)古時(shí)代的鉆木取火、 農(nóng)耕時(shí)代開(kāi)始使用的煤炭、 工業(yè)時(shí)代大規(guī)模應(yīng)用的石油與天然氣， 這些能源載體的變化體現(xiàn)了減碳加氫、碳?xì)浔冉档偷内厔?shì)。當(dāng)前，我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展目標(biāo)的提出，將進(jìn)一步提速減碳的過(guò)程。氫氣作為零碳的能源載體，正在得到越來(lái)越多的關(guān)注： 2050年世界上20%勺CO減排可以通過(guò)氫能替

3、代完成，氫能消費(fèi)將占世界能源市場(chǎng)的18%氫利用的途徑主要是燃料電池移動(dòng)動(dòng)力、 分布式電站、 化工加氫， 新興發(fā)展的是氫燃料汽輪機(jī)、 氫氣冶金等。 氫能的利用需要從制氫開(kāi)始， 由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在，需要通過(guò)工業(yè)過(guò)程制取。氫氣的來(lái)源分為工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等途徑，差別在于原料的再生性、CO2 排放、制氫成本。目前，世界上超過(guò)95%的氫氣制取來(lái)源于化石燃料重整1 ，生產(chǎn)過(guò)程必然排放CO;約4%5%氫氣來(lái)源于電解水，生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有CO排放。制氫過(guò)程按照碳排放強(qiáng)度分為灰氫（煤制氫）、藍(lán)氫（天然氣制氫）、綠氫（電解水制氫、可再生能源）。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氫

4、、藍(lán)氫將會(huì)逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代，綠氫是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。近年來(lái)， 可再生能源電解水制氫在國(guó)際上呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)， 許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始設(shè)定氫能在交通領(lǐng)域之外的工業(yè)、 建筑、 電力等行業(yè)發(fā)展目標(biāo)， 在政府規(guī)劃、應(yīng)用示范等方面都有積極表現(xiàn)。 本文主要就制備綠氫的電解水制氫技術(shù)開(kāi)展分析和展望， 研究綠色制氫與長(zhǎng)距離輸送的系統(tǒng)解決方案， 為我國(guó)能源換代發(fā)展提供思路參考。二、氫能發(fā)展態(tài)勢(shì)分析（一）氫能需求歐洲清潔氫能聯(lián)盟認(rèn)為 1 ，氫能在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的作用主要有：實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、 高效可再生能源的消納， 在不同行業(yè)和地區(qū)間進(jìn)行能量再分配， 充當(dāng)能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)韌性， 降低交通運(yùn)輸過(guò)

5、程中的碳排放， 降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放，代替焦炭用于冶金工業(yè)，降低建筑采暖的碳排放。從效率上看， 氫利用的首選是燃料電池， 氫燃料電池技術(shù)的突破帶動(dòng)了氫的市場(chǎng)需求。以氫為燃料的質(zhì)子交換膜（PEM燃料電池技術(shù)逐漸成熟，正在朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。 日本豐田汽車(chē)公司 2014年開(kāi)始銷(xiāo)售氫燃料電池汽車(chē)（ Mirai ） ，累計(jì)銷(xiāo)售超過(guò)1X104輛；韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司的燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)售數(shù)量也相當(dāng)。在亞洲汽車(chē)市場(chǎng)的率先推動(dòng)下，世界燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展， 2019 年世界燃料電池汽車(chē)保有量約為2.52 X 104輛，年銷(xiāo)售量約1.24 X 104輛。鑒于燃料電池乘用車(chē)在商業(yè)化初期面臨加氫困難等問(wèn)題，

6、我國(guó)規(guī)劃提出將燃料電池首先應(yīng)用于商用車(chē)，這一發(fā)展路徑獲得業(yè)界廣泛認(rèn)可，目前已有超過(guò)6000 輛燃料電池商用車(chē)投入運(yùn)行。氫能在非道路運(yùn)輸方面的應(yīng)用正在推廣。2018年，法國(guó)阿爾斯通集團(tuán)生產(chǎn)的燃料電池列車(chē)在德國(guó)投入運(yùn)營(yíng)， 英國(guó)、 荷蘭等國(guó)也在積極發(fā)展氫動(dòng)力列車(chē)。 中國(guó)中車(chē)股份有限公司 2019 年在廣東佛山開(kāi)始運(yùn)行燃料電池有軌電車(chē)，同時(shí)開(kāi)展氫燃料列車(chē)方案的探索研究。家庭熱電聯(lián)供和工業(yè)應(yīng)用也增加了對(duì)低碳?xì)涞男枨蟆?低碳工業(yè)對(duì)氫的需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵制造等行業(yè)，采用低碳?xì)涮娲咛細(xì)鋵⑹窃诙唐趦?nèi)擴(kuò)大需求、 減少溫室氣體排放的契機(jī)。 國(guó)際上正進(jìn)行低碳?xì)溆糜跓捰汀?甲醇及氨生產(chǎn)的試驗(yàn)。 電解制

7、氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模正在加快擴(kuò)展， 在無(wú)需對(duì)現(xiàn)有直接還原煉鋼爐進(jìn)行重大改造的條件下，氫氣可替代35%的天然氣使用；還提出了氫氣與天然氣混合應(yīng)用的過(guò)渡性策略，以加快推進(jìn)利用純氫直接還原煉鐵的進(jìn) 度，這對(duì)氫的儲(chǔ)運(yùn)方式將產(chǎn)生重要的影響。（二）氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃歐盟規(guī)定了電解槽制氫響應(yīng)時(shí)間小于 5s,目前只有PEMfe解水技術(shù)可達(dá)到 這一要求。因此，歐盟規(guī)劃了 PEMfc解水制氫來(lái)逐漸取代堿性水電解制氫的發(fā)展 路徑 1 ： 2020 年 7 月，歐盟委員會(huì)發(fā)布了涉及氫能的戰(zhàn)略規(guī)劃，重點(diǎn)發(fā)展利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源來(lái)生產(chǎn)可再生氫；2020 2024 年，支持安裝超過(guò)6GW的可再生氫電解槽，產(chǎn)氫量達(dá) 1.0

8、X106t; 2025 2030年，建設(shè)40GW勺可再生 氫電解槽，產(chǎn)氫量達(dá)1.0X107t; 2030-2050年，可再生氫產(chǎn)業(yè)成熟，在眾多難 以脫碳的行業(yè)（如航空、海運(yùn)、貨運(yùn)交通等）進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。此外，德國(guó) 2020 年頒布了國(guó)家氫能戰(zhàn)略，提出以可再生氫為重點(diǎn)，規(guī)劃布局德國(guó)綠氫制造。美國(guó)既重提煤的高效利用， 也積極推動(dòng)氫能的研發(fā)與應(yīng)用。 美國(guó)能源部（ DOE）提出H2Scalea戈推進(jìn)氫的規(guī)?；瘧?yīng)用。2019年，DO改幅提高了對(duì)不同電 解制氫材料與技術(shù)類(lèi)研發(fā)項(xiàng)目的支持力度；2020年，在H2Scale®劃中支持3M Giner、ProtonOnsite等公司開(kāi)展PEMfe解槽制

9、造與規(guī)模化技術(shù)研發(fā)，涉及吉瓦 級(jí)PEMfe解槽的析氧催化劑、電極、低成本PEMfe解槽組件及放大工藝，資助金 額均超過(guò)400萬(wàn)美元。這表明，美國(guó)在制氫規(guī)?；矫嫫?PEMfc解的技術(shù)路線。 另外，DOEJ持了氫冶金、氫與天然氣混合輸送等技術(shù)研發(fā)，為氫的規(guī)?；瘧?yīng)用 作全面準(zhǔn)備。（三）電解水制氫的示范進(jìn)展在市場(chǎng)化進(jìn)程方面，堿水電解（AWE作為最為成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo) 地位，尤其是一些大型項(xiàng)目的應(yīng)用。AW或用氫氧化鉀（KOH水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣，效率通常在70%80%一方面，AWES堿性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(jià)

10、較低， 但產(chǎn)氣中含堿液、 水蒸氣等， 需經(jīng)輔助設(shè)備除去； 另一方面， AWE 難以快速啟動(dòng)或變載、 無(wú)法快速調(diào)節(jié)制氫的速度， 因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。我國(guó)AW噤置的安裝總量為15002000套，多數(shù)用于電廠冷卻用氫的制備，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的最大產(chǎn)氫量為1000Nm3/h 。國(guó)內(nèi)代表性企業(yè)有中國(guó)船舶集團(tuán)有限 公司第七一八研究所、 蘇州競(jìng)立制氫設(shè)備有限公司、 天津市大陸制氫設(shè)備有限公 司等，代表性的制氫工程是河北建投新能源有限公司投資的沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目（ 4MW）。由于PEMfe解槽運(yùn)行更加靈活、更適合可再生能源的波動(dòng)性，許多新建項(xiàng)目 開(kāi)始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解槽技術(shù)。過(guò)去數(shù)年，歐盟、美國(guó)、日本企業(yè)

11、紛紛推出了 PEM6解水制氫產(chǎn)品，促進(jìn)了應(yīng)用推廣和規(guī)?；瘧?yīng)用，Proton Onsite、Hydrogenics、Giner、西門(mén)子股份公司等相繼將 PEMfe解槽規(guī)格規(guī)模提高到兆瓦 級(jí)。其中，Proton Onsite公司的PEMK電解制氫裝置的部署量超過(guò) 2000套（分 布于72個(gè)國(guó)家和地區(qū)），擁有全球 PEMK電解制氫70%勺市場(chǎng)份額，具備集成 10MWM上制氫系統(tǒng)的能力；Giner公司單個(gè)PEMt解槽規(guī)格達(dá)5MW電流密度超 過(guò)3A/cm2, 50kW水電解池樣機(jī)的高壓運(yùn)行累計(jì)時(shí)間超過(guò)1.5 乂 105h。當(dāng)前，國(guó)際上在建的電解制氫項(xiàng)目規(guī)模增長(zhǎng)顯著。 2010 年前后的多數(shù)電解制氫項(xiàng)目規(guī)

12、模低于0.5MW， 而 2017 2019年的項(xiàng)目規(guī)?；緸?5MW； 日本 2020年投產(chǎn)了 10MW®目，加拿大正在建設(shè)20MW®目。德國(guó)可再生能源電解制氫的 “PowertoGas”項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10a； 2016年西門(mén)子股份公司參與建造的 6MWPEM解槽與風(fēng)電聯(lián)用電解制氫系統(tǒng)，年產(chǎn)氫氣200t ,已于2018年實(shí)現(xiàn)盈利； 2019年彳惠國(guó)天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商 OGE£司、Amprion公司聯(lián)合實(shí)施Hybridge100MW 電解水制氫項(xiàng)目，計(jì)劃將現(xiàn)有的 OGET道更換為專(zhuān)用的氫氣管道。2019年，荷 蘭啟動(dòng)了 PosHYdorffl目，將集裝箱式制氫設(shè)備與

13、荷蘭北海的電氣化油氣平臺(tái)相 結(jié)合，探索海上風(fēng)電制氫的可行性。三、電解水制氫技術(shù)分類(lèi)在技術(shù)層面，電解水制氫主要分為 AWE PEMK電解，固體聚合物陰離子交 換膜（AEM水電解、固體氧化物（SOE水電解，相關(guān)特性對(duì)比見(jiàn)表1。其中， AWE!最早工業(yè)化的水電解技術(shù)，已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，最為成熟；PEMt解水技術(shù)近年來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，SOEK電解技術(shù)處于初步示范階段，而 AEMK電 解研究剛起步。從時(shí)間尺度上看，AW敢術(shù)在解決近期可再生能源的消納方面易 于快速部署和應(yīng)用；但從技術(shù)角度看，PEMt解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體 積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大）具

14、有良好的匹配性。隨著PEMt解槽的推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降，必然是 未來(lái)510a的發(fā)展趨勢(shì)。SOE AEMK電解的發(fā)展則取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破 情況。表1 4種水電解技術(shù)特性PEMSOE電解箱隔原順f交模限陰離胃檢瞧固體黑化拘Hi游用口丸51、1-41"電耗/挈世田h N 111 14.5-J34.0- 5.0限期戒申黑切0g工作li度F<_吼）J部. SM出黑飩度會(huì)期則飛桁行泄作可產(chǎn)37凸操作特征需控制度L那氣需脫It快速啟停.僅水蕉氣快溺后住，僅木嫌飛后棒科L儀樂(lè)撰氣叫維護(hù)性強(qiáng)礁腐蝕,屋無(wú)腐濁性介熠長(zhǎng)特使也介岫環(huán)保性方糊膜有低腹王藩無(wú)無(wú)污染技術(shù)成熟度郎一商業(yè)化蜜耕室附

15、設(shè)團(tuán)期型施<迎四、PEMfc解水制氫技術(shù)分析PEha電解才©采用PEM專(zhuān)導(dǎo)質(zhì)子，隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免 AWES用強(qiáng)堿 性液體電解質(zhì)所伴生的缺點(diǎn)。PEMK電解槽以PEMfe電解質(zhì)，以純水為反應(yīng)物， 加之PEM勺氫氣滲透率較低，產(chǎn)生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣；電解槽采用 零間距結(jié)構(gòu)，歐姆電阻較低，顯著提高電解過(guò)程的整體效率，且體積更為緊湊； 壓力調(diào)控范圍大，氫氣輸出壓力可達(dá)數(shù)兆帕，適應(yīng)快速變化的可再生能源電力輸 入。因此，PEMfe解水制氫是極具發(fā)展前景的綠色制氫技術(shù)路徑。也要注意到，PEhMK電解制氫的瓶頸環(huán)節(jié)在于成本和壽命。電解槽成本中， 雙極板約占48%膜電極約占10%

16、當(dāng)前PEMS際先進(jìn)水平為：?jiǎn)坞姵匦阅転?2A cm22V2,總鋁系催化劑載量為23mg/cm,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為6X1048X 104h, 制氫成本約為每千克氫氣3.7美元3。降低PEM電解槽成本的研究集中在以催 化劑、PEMfe基礎(chǔ)材料的膜電極，氣體擴(kuò)散層，雙極板等核心組件。（一）電催化劑由于PEMt解槽的陽(yáng)極處于強(qiáng)酸性環(huán)境（pH2）、電解電壓為1.42.0V, 多數(shù)非貴金屬會(huì)腐蝕并可能與 PEMfr的磺酸根離子結(jié)合，進(jìn)而降低PEM專(zhuān)導(dǎo)質(zhì)子 的能力。PEMfc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/混合氧化物，以鈦材料為載體的負(fù)載型催化劑。按照技術(shù)規(guī)劃目標(biāo)4,膜電

17、極上的柏族催化劑總負(fù)載量應(yīng)降低到 0.125mg/cm2,而當(dāng)前的陽(yáng)極鉞催化劑載量在 1mg/cn2量級(jí)，陰極Pt/C催化劑的 Pt載量約為0.40.6mg/cm2。意大利研究團(tuán)隊(duì)5制備的Ir 0.7R10.3Q催化劑在陽(yáng) 極催化劑總載量為1.5mg/cm2時(shí)，電解池性能可達(dá) 3.2A - cm21.85V Giner公 司研究團(tuán)隊(duì)6制備出的Ir 0.38/WXTi i-xQ催化劑在Ir載量為0.4mg/cm2時(shí)的全電池 性能達(dá)到2Acm21.75V Ir用量?jī)H為傳統(tǒng)電極的1/5。Ru 的電催化析氧活性高于Ir ， 但穩(wěn)定性差； 通過(guò)與 Ir 形成穩(wěn)定合金可提高催化劑的活性與穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院

18、大連化學(xué)物理研究所制備的 Ir0.6Sn0.4 催化劑，在全電解池測(cè)試中的性能為2A-cm21.82V IrSn可形成穩(wěn)定的固溶體結(jié) 構(gòu)，與Sn形成合金的過(guò)程提高了 Ir的分散性，有助于降低Ir載量。美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、 Giner 公司合作研發(fā)了多種金屬有機(jī)框架（MOF材料催化劑，價(jià)格僅為傳統(tǒng)催化劑的 1/207,其中Co-MOFG-硅化劑 在0.01A/cm2下的過(guò)電位為1.644V（vs.RHE）,在半電池衰減實(shí)驗(yàn)中的性能優(yōu)于傳 統(tǒng) Ir 催化劑，但尚未開(kāi)展全電池測(cè)試。受限于PEM水電解制氫的酸性環(huán)境、陽(yáng)極高電位、良好導(dǎo)電性等要求，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大， 預(yù)計(jì)

19、一定時(shí)期內(nèi)實(shí)際用于大規(guī)模電解槽的催化劑仍以Ir 為主。未來(lái)降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發(fā)超低載量或有序化膜電極。（二）隔膜材料在PEMT面，目前常用的產(chǎn)品有杜邦公司 Nafion系列膜、陶氏化學(xué)Dow系列膜、 旭硝子株式會(huì)社Flemion 系列膜、 旭化成株式會(huì)社Aciplex-S 系列膜、 德山化學(xué)公司Neosepta-F等。Giner公司研發(fā)的DSMTMI8已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，相比 Nafion 膜具有更好的機(jī)械性能、更薄的厚度，在功率波動(dòng)與啟停機(jī)過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性良好，實(shí)際電解池的應(yīng)用性能較優(yōu)。為進(jìn)一步提高PEM生能并降低成本，一方面可采用增強(qiáng)復(fù)合的方案改善 PEM 的機(jī)

20、械性能， 有利于降低膜的厚度； 另一方面， 可通過(guò)提高成膜的離子傳導(dǎo)率來(lái)降低膜阻和電解能耗，有利于提高電解槽的整體性能。國(guó)產(chǎn)PEMT品進(jìn)入了試用 階段。（三）膜電極PEMfc解水的陽(yáng)極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕，應(yīng)具有合適的孔洞結(jié)構(gòu)以便氣體和水通過(guò)。受限于 PEMt解水的反應(yīng)條件，PEM然料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無(wú)法用于水電解陽(yáng)極。3M公司研發(fā)了納米結(jié)構(gòu)薄膜（NSTF電極8,陰陽(yáng)兩極分別采用Ir、Pt催化劑，載量均為0.25mg/cm2;在酸性環(huán)境及高電位條件下可以穩(wěn)定工作， 表面的棒狀陣列結(jié)構(gòu)有利于提高催化劑的表面分散性。 Proton 公司采用直接噴霧沉積法來(lái)減少催化劑團(tuán)

21、聚現(xiàn)象9 ，將載量 0.1mg/cm2 的 Pt/C 和 Ir ，載量0.1mg/cm2 的 IrO 2沉積在Nafion117 膜上；單電解池的應(yīng)用性能與傳統(tǒng)高催化劑載量電解池相似（1.8A cm22V ,在2.3V電壓下穩(wěn)定工作500h。改善集流器的性能也可提高電解槽性能。 美國(guó)田納西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)10 在鈦薄片上用模板輔助的化學(xué)刻蝕法制備出直徑小于1mm勺小孔，陽(yáng)極集流器的厚度僅為25.4仙m；相關(guān)集流器用于PEhMK電解陰極，電解性能為2A-cm21.845V 陰極 Pt 催化劑載量?jī)H為0.086m/cm2。（四）雙極板雙極板及流場(chǎng)占電解槽成本的比重較大， 降低雙極板成本是控制電解槽成本

22、的關(guān)鍵。在PEMfe解槽陽(yáng)極嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，若雙極板被腐蝕將會(huì)導(dǎo)致金屬離 子浸出， 進(jìn)而污染PEM， 因此常用的雙極板保護(hù)措施是在表面制備一層防腐涂層。Lettenmeier 等11 在不銹鋼雙極板上用真空等離子噴涂方式制備Ti 層以防止腐蝕， 再用磁控濺射方式制備Pt 層以防止 Ti 氧化引起的導(dǎo)電性降低； 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將Pt涂層換成價(jià)格更低的Nb涂層，可維持相似的電解池性能，且電解 池可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1000h12 。美國(guó)田納西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)13 采用增材制造技術(shù)，在陰極雙極板上制作出厚度為1mm 勺不銹鋼材料流場(chǎng)，在上面直接沉積一層 厚度為0.15mm的網(wǎng)狀氣體擴(kuò)散層；該單電池陰極阻抗

23、極小，電池性能高達(dá)2A-cm21.715V但仍需要表面鍍金14以提高穩(wěn)定性。止匕外，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家 實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了系列化的 PEMfe解槽用雙極板研發(fā) 工作 15,16 。（五）電解槽穩(wěn)定性2003年，Proton公司8完成了 PEMfe解槽持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)（6X 104h）,衰 減速率僅為4仙V/h。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織提出的2030年技術(shù)目標(biāo)17,要求電解槽壽命達(dá)到9X104h,持續(xù)工作狀態(tài)下的衰減速率穩(wěn)定在0.415NV/h。許多研究團(tuán)隊(duì)著力探索PEMfe解槽中各部件的衰減機(jī)理，發(fā)現(xiàn)催化劑和膜的脫 落、 水流量變化、 供水管路腐蝕等會(huì)導(dǎo)致歐姆阻抗提高， 膜電極

24、結(jié)構(gòu)被破壞后會(huì) 誘發(fā)兩側(cè)氣體滲透并造成氫氣純度降低，溫度/ 壓力變化、電流密度和功率負(fù)載循環(huán)也會(huì)影響部件衰減速率。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所18對(duì)PEM電解槽 進(jìn)行了 7800h 衰減測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)污染主要來(lái)自于水源和單元組件的金屬離子； 完成了供水量、電流密度變化對(duì)PEMfe解槽性能的影響分析。法國(guó)研究人員19建立 了 46kW電解槽模型，預(yù)測(cè)了功率波動(dòng)工況下的工作情況，在溫度較高、壓力較 低時(shí)，電解槽效率達(dá)到最高并可更好適應(yīng)功率波動(dòng)。在推廣應(yīng)用層面，我國(guó)PEM電解水制氫技術(shù)正在經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向市場(chǎng)化、 規(guī)模化應(yīng)用的階段變化， 逐步開(kāi)展示范工程建設(shè)， 如國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司的兆瓦級(jí)氫能示

25、范工程將于 2021 年年底建成投產(chǎn)。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、陽(yáng)光電源股份有限公司共同建立的PEMfe解水制氫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)PEMfe解水技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題，如廉價(jià)催化劑的活性與穩(wěn)定性、膜滲透性、 膜電極結(jié)構(gòu)等開(kāi)展研究攻關(guān)； 針對(duì)雙極板、 擴(kuò)散層等， 發(fā)展高電流密度與高電壓 條件下的廉價(jià)抗腐蝕鍍層技術(shù)，著力提高電解效率、降低綜合成本。五、氫儲(chǔ)運(yùn)與電解制氫（一）氫的儲(chǔ)運(yùn)方式氫利用的重要前提是將氫的綠色制取與終端用戶通過(guò)安全可靠、 經(jīng)濟(jì)便捷的 方式聯(lián)系起來(lái)，這就需要解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。氫的儲(chǔ)運(yùn)方式有高壓儲(chǔ)氫、液氫、材料儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)氫、管道輸氫等，其中高壓儲(chǔ)氫、液氫、管道輸氫均需加壓

26、氫氣，因而具有較高壓力的PEM電解制氫具有與儲(chǔ)氫需求匹配的天然優(yōu)勢(shì)。高壓儲(chǔ)運(yùn)氫是中小量用氫的常用方法，在200kmtfE離以內(nèi)，單輛魚(yú)雷車(chē)每天 可運(yùn)輸10t氫，包括壓縮、存儲(chǔ)設(shè)備折舊費(fèi)用在內(nèi)的綜合運(yùn)費(fèi)約為2元/kg。材料儲(chǔ)氫安全性好，但儲(chǔ)氫容量低（1%2%），僅適合原地儲(chǔ)氫；若用于運(yùn)輸，運(yùn)輸費(fèi)用明顯過(guò)高。有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)氫的儲(chǔ)氫量可達(dá)5%6%，運(yùn)輸要求與液體燃料類(lèi)似，到達(dá)目的地后需應(yīng)用脫氫設(shè)備進(jìn)行脫氫處理，脫氫溫度約為 200。日本 計(jì)劃采用甲苯與甲基環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)進(jìn)行氫儲(chǔ)運(yùn)，從澳大利亞向本土運(yùn)氫。利用現(xiàn)有的天然氣管道， 將氫氣加壓后輸入， 使氫氣與天然氣混合輸送； 在 用氫端，從管道提取天

27、然氣/ 氫氣混合氣，進(jìn)行重整制氫，這是快速儲(chǔ)運(yùn)氫的新方向。PEMt解水制氫的產(chǎn)氫壓力通常大于 3.5MPa,很容易提升至4MP因而 PEMfe解生產(chǎn)的氫氣無(wú)需額外的加壓過(guò)程即可直接注入天然氣管網(wǎng)。德國(guó)已有天然氣管網(wǎng)20%昆氫的工程案例20。法國(guó)GRHYD目在2018年開(kāi)始向天然氣管 網(wǎng)注入含氫氣（摻混率為6%）的天然氣，2019 年氫氣摻混率達(dá)到20%。英國(guó)在HyDeploy項(xiàng)目中實(shí)施了零碳制氫，2020年向天然氣管網(wǎng)注入氫氣（摻混率為20%），驗(yàn)證了電解制氫注入氣體管網(wǎng)的技術(shù)可行性。更為理想的情況是新建純氫管道，歐洲多國(guó)啟動(dòng)了輸送純氫管網(wǎng)的初步規(guī)劃論證，但開(kāi)工建設(shè)尚需時(shí)日。（二）我國(guó)的輸氫需

28、求我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能、 太陽(yáng)能資源豐富， 西南地區(qū)的水電資源豐富， 需要將相應(yīng)電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區(qū)。我國(guó)海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國(guó)、 德國(guó)之后的世界第三大海上風(fēng)電國(guó)家， 快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。利用這些可再生能源電力，通過(guò)PEM電解方式獲得綠氫,將氫通過(guò)油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國(guó)各地， 這為氫的長(zhǎng)距離輸送、 氫 能可持續(xù)發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。適時(shí)在管理層面建立PEMfe解水制氫、輸氫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。六、結(jié)語(yǔ)氫氣在儲(chǔ)能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，成為控制溫室氣體排放、 減緩全球溫度上升的有效途徑之一。

29、 堅(jiān)持氫能綠色利用的初衷， 積極發(fā)展以PEM電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與可再生能源的融合發(fā)展。PEMfc解水制氫技術(shù)具有運(yùn)行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高、適應(yīng)可再生能源發(fā)電波動(dòng)、占地緊湊的特點(diǎn)，具備了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的基礎(chǔ)條件。為此建議：從電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料與部件方面入手，通過(guò)產(chǎn)能提升和技術(shù)進(jìn)步來(lái)壓降成本，進(jìn)而支持PEM電解制氫綜合成本的穩(wěn)步下降；改善催化劑活性， 提高催化劑利用率， 有效降低貴金屬用量； 研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高PEM電解的運(yùn)行電流密度；提升雙極板的材料性能與表面工藝，在降低成本的同時(shí)提高耐蝕性能。隨著我國(guó)風(fēng)、 光、 水等可再生能源的快

30、速發(fā)展， 預(yù)計(jì)電解水制氫技術(shù)與應(yīng)用將進(jìn)入穩(wěn)步上升期。為此建議：結(jié)合西北、西南、東北、沿海等地區(qū)可再生能源豐富的天然稟賦，加大利用可再生能源來(lái)進(jìn)行PEMfc解水制氫的示范力度；結(jié)合 商業(yè)化推廣，全面降低PEMt解水制氫的成本，適應(yīng)可再生能源規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢(shì)； 在西北、西南、東北、沿海等地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的電解水制氫裝備應(yīng)用，將高壓氫摻混后送入天然氣管網(wǎng)， 用氫地區(qū)則從天然氣管道中取氫； 天然氣中的氫濃度為5%20%時(shí)用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于5%時(shí)采用混合氣重整制氫方法， 由此既不增加CO2 排放，也具有長(zhǎng)距離輸氫的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。參考文獻(xiàn)1Fuel Cells and Hydr

31、ogen Joint Undertaking. Hydrogen roadmapEurope: A sustainable pathway for the European energy rransition EB/OL.(2019-02-11)2020-08-15. https:/www.fch.europa.eu/sites/default/files/Hydrogen%20Roadmap%20Europe_Report.pdf.2Lewinski K A. NSTFAdvances for PEMfelectrolysis - The effect of alloying on acti

32、vity of NSTF electrolyzer catalysts and performance of NSTF based PEM electrolyzers J. ECS Transactions, 2015, 69(17): 893 -917.3Bender G, Dinh H N, Danilovic N, et al. HydroGEN: Lowtemperature electrolysis EB/OL. (2018-06-13)2020-08- 15./pdfs/review18/pd148_ bender_201

33、8_o.pdf.4Xu H. Ionomer dispersion impact on PEMfuel cell and electrolyzer performance and durability EB/OL. (2017-06-08) 2020-08-15./pdfs/review17/ fc117_xu_2017_o.pdf.5Siracusano S, Dijk N, Payne-Johnson E, et al. Nanosized IrO x and IrRuOx electrocatalysts for the O 2

34、 evolution reaction in PEM water electrolysers J. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164: 488 -495.6Zhao S, Stocks A, Rasimick B, et al. Highly active, durabledispersed Iridium nanocatalysts for PEMwater electrolyzers J. Journal of The Electrochemical Society, 2018, 165(2): 82 89.7Liu D J, Ch

35、ong L N, Wang H, et al. PGM-free OER catalysts for PEM electrolyzer EB/OL. (2019-05-01)2020-08-15. https:/ /pdfs/review19/p157_liu_2019_o.pdf.8Hamdan M. Giner PEM electrolysis R & D webinar EB/OL.(2011-05-23)2020-08-15. /sites/prod/files/2014/03/f12/we

36、binarslides052311_pemelectrolysis_hamdan. pdf.9Ayers K E, Renner J N, Danilovic N, et al. Pathways to ultralow platinum group metal catalyst loading in proton exchange membrane electrolyzers J. Catalysis Today, 2016, 262: 121 132.10Kang Z Y, Mo J K, Yang G Q, et al. Investigation of thin/well-tunabl

37、e liquid/gas diffusion layers exhibiting superior multifunctional performance in low-temperature electrolytic water splitting J. Energy & Environmental Science, 2017, 10(1): 166 175.11Lettenmeier P, Wang R, Abouatallah R, et al. Coated stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane

38、electrolyzers J. Journal of The Electrochemical Society, 2016, 163(11): 3119- 3124.12Lettenmeier P, WangR, Abouatallah R, et al. Low-cost and durable bipolar plates for proton exchange membraneelectrolyzers J. Scientific Reports, 2017 (7): 1- 12.13Yang G Q, Mo J K, Kang Z Y, et al. Fully printed and integrated electrolyzer cells with additive manufacturing for high-efficiency water splitting J. Applied Energy, 2018, 215: 202- 210.14Yang G Q, Yu S L, Mo J