氢技趋势国际电解水制术的发展

电解水制氢技术主要有碱性水电解（Alkaline Electrolyzer,国际 AE）制氢技术、质子交换膜水电解（Proton Exchange Membrane Electrolyzer,电解 PEME）制氢技术和固体氧化物水电解（Solid Oxide Electrolyzer, SOE）制氢技术。

从发展历程来看，水制术碱性水电解在20世纪前后开始实现碱性水电解制氢技术的氢技趋势工业化应用，在经历了单极性到双极性、发展小型到大型、国际常压型到加压型、电解手动控制到全自动控制的水制术发展历程后，碱性水电解制氢技术已逐步进入成熟的氢技趋势工业化应用阶段。20世纪70年代起，发展质子交换膜水电解制氢技术开始获得发展，国际并以其制氢效率高、电解设备集成化程度高及环境友好等特点成为水电解技术的水制术研究重点，逐步实现从小型化到兆瓦级的氢技趋势发展。

目前，发展PEME制氢技术的瓶颈在于设备成本较高、寿命较低，且实际的电解效率还远低于理论效率（其制氢效率潜力有望超出AE制氢技术），因此欧美发达国家正重点开展技术攻关以突破技术瓶颈，实现PEME制氢技术的更大发展。SOE制氢技术采用水蒸气电解，高温环境下工作，理论能效最高，但该技术尚处于实验室研发阶段。

目前，美国、日韩和欧洲均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向，聚焦AE制氢技术规模化和PEME制氢技术产业化，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本”三个关键降本性能指标推进整体技术研发，电解水制氢成本结构与关键技术分析如图1所示。

图1电解水制氢成本结构与关键技术分析

美国在2011年就制定了电解水制氢技术路线图，如图2所示，以2.3美元/kg制氢成本为目标，设定了系统电解效率大于或等于75%，电解槽电解效率大于或等于77%，系统投资成本0.5$/kg的发展目标。

在技术路线上，以PEME技术攻关为主，AE和SOE等多种电解水技术并行发展。在技术开发上，PEME制氢技术具体则侧重质子交换膜、贵金属催化剂等关键核心材料研究，以获得更高的电解效率与寿命；同时，开展低担载量纳米贵金属催化剂、非贵金属催化剂等的研究开发，AE制氢技术，重点推进高温碱性电解水装置的开发，推进高效率研究。

图2美国电解水制氢技术关键指标目标

欧洲在2013年制定了电解水制氢技术路线，同样以PEME技术为主、多种电解技术协同发展，技术关键指标目标如图3所示。其中，2023年的技术目标为：电解能耗≤50(kWh)/kgH2@1000kg/d、电解槽效率年衰减量小于1%（额定功率下年操作时间8000h）、设备投资成本小于1.5M/(t/d)。

PEME技术方面，欧洲一方面通过催化剂和电解质膜等关键基础材料的研究与开发，提高电解效率，聚焦MW级系统设计，降低设备投资成本；另一方面则建立PEME技术的性能评价与劣化评价体系，科学开展技术的系统经济效能评价。AE制氢方面，欧洲进行了高温与高压兼容性碱性电解水装置的开发，并通过优化外围设备和操作条件，进一步提高制氢效率。

图3欧盟电解水制氢技术关键指标目标

日本在2014~2018年通过氢气利用等先驱研发项目和氢社会构建技术研发项目，着力推动碱性电解水装置开发，尤其是2000Nm3/h大规模电解槽技术。2019年，日本通过对标美国与欧洲电解水技术开发路线，制定了AE与PEME水电解技术10年技术攻关目标，注重电堆反应机理和耐久性评价方法与标准化研究，并根据可再生能源发电量预测、电力供需调整、氢气需求等各种信息，进行系统层级优化，提高电流密度、效率和耐久性，相关技术关键指标目标如图4和图5所示。

总的来说，各国均对AE、PEME制氢技术同时进行技术开发。其中，AE方面，近期以优化提升制氢效率与装置规模放大为主要目标进行技术攻关。

PEME方面，欧美国家持续开展技术攻关，将其视为下一代主流电解水制氢技术，通过催化剂、隔膜、集电器、膜组件等核心材料和组件的研究及应用，提高设备的电解效率和使用寿命，降低设备成本等。

同时，欧洲开展了电解水制氢装备性能评价与劣化评价的研究，在电解水制氢技术发展中具有重要意义。日本在吸收美国与欧洲电解水制氢技术路线的基础上，着力聚焦AE与PEME的技术开发，制定了最全面的技术目标。

图4 日本碱性电解水制氢技术目标

图5日本质子交换膜电解水制氢技术目标

(责任编辑：焦点)