“雙碳”目標(biāo)下電解制氫關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展
趙雪瑩，李根蒂，孫曉彤，宋潔，梁丹曦，徐桂芝，鄧占鋒
（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2021年第5期“規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)進(jìn)展及其在高比例可再生能源和電力電子設(shè)備電力系統(tǒng)中的應(yīng)用”專題上，歡迎點(diǎn)擊品讀。本文受國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目科資助。
文章導(dǎo)讀
氫能是一種清潔無污染、可長期存儲的二次能源，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)背景下，將在可再生能源占主導(dǎo)地位的能源體系中扮演舉足輕重的角色。氫能的綠色制取是實(shí)現(xiàn)脫碳的必要前提，綜述了氫能綠色制取的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展。此外，總結(jié)了歐洲、日本等地在綠氫制取方面的先進(jìn)案例，分析電解制氫技術(shù)的成本組成以及降低成本的途徑。相比于設(shè)備成本的降低，低電價對于綠氫成本的影響更大。電極和膜片在堿性電解槽成本中占比最高，而雙極板在質(zhì)子交換膜電解槽成本中占比最高。最后總結(jié)了未來中國氫能綠色制取技術(shù)發(fā)展方向：研究新能源輸入對電解槽及制氫系統(tǒng)影響；提高電解槽和系統(tǒng)可靠性與耐久性；提升電解槽關(guān)鍵材料與核心部件自主化研發(fā)水平。
重點(diǎn)內(nèi)容
1 氫能綠色制取技術(shù)
電解水的電化學(xué)反應(yīng)過程被認(rèn)為是完全清潔的產(chǎn)氫過程，無二氧化碳排放。電解制氫技術(shù)主要分為3種：堿性電解（AWE），質(zhì)子交換膜（PEM）電解，固體氧化物電解（SOEC）。表1總結(jié)了3種技術(shù)的重要特征及優(yōu)缺點(diǎn)。
?表1 三種類型的水電解質(zhì)的特征
1）堿性電解（AWE）制氫技術(shù)是目前最成熟、商業(yè)化程度最高的電解制氫技術(shù)，MW級規(guī)模的電解裝置已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。較高的電流密度下，產(chǎn)生的氣泡在整個電極表面形成一層連續(xù)的非導(dǎo)電氣膜，傳統(tǒng)AWE最大電流密度通常限制在0.45A/cm2以內(nèi)。因而延伸出新型AWE電解槽、水蒸氣電解槽，來避免“氣泡演變問題”，提升電流密度。此外，AWE的啟動時間較長，停機(jī)后需要30~60 min才能重新啟動，因此與可再生能源配合性能相對較差。目前，中國堿性電解水制氫技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在電流密度、直流電耗等技術(shù)指標(biāo)上與國外仍存在一定差距。
2）質(zhì)子交換膜（PEM）制氫技術(shù)采用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。質(zhì)子交換膜可提供高導(dǎo)電性、允許緊湊化設(shè)計和高壓操作、薄膜厚度低，但質(zhì)子交換膜不能完全隔離氣體，將降低電流效率和/或氣體純度，尤其當(dāng)運(yùn)行在低電流密度或頻繁啟動-停止循環(huán)時。PEM電解水催化劑主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物，因其價格昂貴且資源稀缺，衍生出非貴金屬取代含鉑族金屬（PGMs）、碳載鉑納米顆粒、過渡金屬氫氧化物等其他替代品。
與其他電解水技術(shù)相比，PEM電解制氫技術(shù)已被證明具有高電流密度（一般2~3A/cm2）、高產(chǎn)氫純度（可達(dá)99.999 9%）、高負(fù)載靈活性（運(yùn)行范圍可達(dá)5%~120%）以及提供電網(wǎng)平衡服務(wù)能力等優(yōu)勢，是目前電制氫技術(shù)發(fā)展應(yīng)用熱點(diǎn)，國際上PEM電解水制氫技術(shù)快速發(fā)展，但國內(nèi)起步較晚，在功率規(guī)模、電流密度、效率、可靠性等方面與國外差距較大。
3）固體氧化物電解（SOEC）操作溫度在500℃以上，可使用相對便宜的Ni電極，表觀效率可高于100%。SOEC目前仍處于發(fā)展階段，在過去10a中呈指數(shù)型增長，世界各地的公司、研究中心和大學(xué)主要研究活動是尋找新的電解質(zhì)和電極材料，探索電解液薄膜和電極層的新技術(shù)。
與AWE與PEM技術(shù)相比，SOEC的技術(shù)成熟度較低，尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。盡管存在效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，但關(guān)鍵材料在高溫和長期運(yùn)行下存在耐久性問題，限制其進(jìn)入市場應(yīng)用階段。
2 全球綠氫生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來國際上電解制氫項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模呈指數(shù)型增長，2010年前后的多數(shù)電解制氫項(xiàng)目規(guī)模低于0.5MW，而2017—2019年的項(xiàng)目規(guī)模基本為1~5MW，如圖1所示。
越來越多的國家在可再生能源電解制氫方面開展試點(diǎn)和商業(yè)初期項(xiàng)目，尤其關(guān)注規(guī)模以及電力系統(tǒng)交互性能方面的提升，相關(guān)項(xiàng)目的應(yīng)用規(guī)模已發(fā)展至MW級，但是為大幅降低成本，還需進(jìn)一步研究、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以及在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新。
? 圖1 各國電解制氫項(xiàng)目時間及項(xiàng)目規(guī)模變化圖
在能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景下，虛擬電廠也要朝著能源綜合服務(wù)虛擬站的方向轉(zhuǎn)變。虛擬站基于對綜合能源信息物理資源的抽象與整合，實(shí)現(xiàn)客觀的統(tǒng)一資源調(diào)度。圖2為虛擬站能量流-信息流-業(yè)務(wù)流多層次協(xié)調(diào)運(yùn)行架構(gòu)，在滿足用戶用能需求的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)采集與分析為用戶提供相應(yīng)的能源增值服務(wù)，制定出合理的運(yùn)行方案。
3 綠氫成本分析
電解水制氫成本一般包括：①設(shè)備成本；②能源成本（電力）；③其他運(yùn)營費(fèi)用；④原料費(fèi)用（水）。其中，能源成本即電力成本占比最大，一般為40%~60%（AWE/PEM）甚至可達(dá)80%，設(shè)備成本占比次之。由圖2可以看出，電價改變引起的成本下降幅度明顯高于電解槽成本降低帶來的下降幅度。
? 圖2 2020—2050年期間綠氫成本變化趨勢
如圖3和4所示，對于堿性電解槽而言，設(shè)備成本主要由電極、膜片的成本驅(qū)動，由于堿性電解槽的雙極板設(shè)計制造更簡單、材料更便宜（鍍鎳鋼），因此只占電解電堆成本的一小部分。對于PEM電解槽而言，設(shè)備成本主要由雙極板的成本驅(qū)動，主要因?yàn)槠渫ǔＰ枰褂肁u或Pt涂層。此外稀有金屬Ir是膜電極材料的重要組成部分，可能成為后期PEM電解槽生產(chǎn)的瓶頸。
? 圖3 1 MW堿性電解槽的成本組成
? 圖4 1 MW PEM電解槽的成本組成
降低綠氫成本可從改善單電池材料、電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計與提升單槽規(guī)模兩方面入手。使用較少的貴金屬材料，或用非貴金屬材料（Ni、Fe等）取代，重新設(shè)計電解槽可獲得更高的效率、更高的耐久性以及更高的電流密度；增加單槽和工廠生產(chǎn)的規(guī)模，可通過執(zhí)行高通量、自動化的制造工藝，降低每個組件的成本。
4 未來發(fā)展方向
未來氫能有望打通可再生能源電力在交通、工業(yè)和建筑領(lǐng)域終端應(yīng)用的滲透路徑，逐步降低化石能源在這些終端領(lǐng)域的消費(fèi)比重。實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)?；瘧?yīng)用，還需在以下方面進(jìn)行深入研究：
1）研究新能源輸入對電解槽及制氫系統(tǒng)影響，解決可再生能源高比例并網(wǎng)問題。
2）提高電解槽和系統(tǒng)可靠性與耐久性，促進(jìn)電解制氫技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，增加與電網(wǎng)互動。
3）提升電解槽關(guān)鍵材料與核心部件自主化研發(fā)水平，加快形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的批量制備方法，全面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料與核心部件的國產(chǎn)化。
5 結(jié)論
歐洲國家、日本、加拿大等在可再生能源電解制氫方面已開展試點(diǎn)和商業(yè)初期項(xiàng)目，相關(guān)項(xiàng)目的應(yīng)用規(guī)模已發(fā)展至MW級，尤其關(guān)注規(guī)模以及電力系統(tǒng)交互性能方面的提升。中國電解制氫項(xiàng)目主要利用AWE制氫技術(shù)，PEM示范工程較少，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的制氫示范以及SOEC示范工程更為罕見。若能解決其材料耐高溫與耐久性問題，長遠(yuǎn)來看SOEC在實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模高效制備上具有較大潛力，可加大投入研發(fā)支持。
與化石能源制氫相比，綠氫制取成本仍舊較高。對于AWE和PEM而言，電價的影響最為重要，需要政府在可再生能源電力上的政策支持與傾斜。在設(shè)備成本方面，對于AWE電解槽，電極和膜片占比最高，對于PEM電解槽，雙極板占比最高?？赏ㄟ^電解槽設(shè)計、改善關(guān)鍵材料以及增加電解槽生產(chǎn)規(guī)模來降低電解制氫成本。
本文引文信息
趙雪瑩，李根蒂，孫曉彤，等. “雙碳”目標(biāo)下電解制氫關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2021，4(5)：436-446.
ZHAO Xueying, LI Gendi, SUN Xiaotong, et al. Key technology and application progress of hydrogen production by electrolysis under peaking carbon dioxide emissions and carbon neutrality targets[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(5): 436-446(in Chinese).
