來源：中國能源報(bào)

近日，大連化物所燃料電池系統(tǒng)科學(xué)與工程研究中心研制的兆瓦級質(zhì)子交換膜水電解制氫（以下簡稱“PEM水電解制氫”）系統(tǒng)，在國網(wǎng)安徽公司氫綜合利用站實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。經(jīng)專家現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)額定產(chǎn)氫220 標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時，峰值產(chǎn)氫達(dá)到275 標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時。

大連化物所方面告訴記者，這是PEM水電解制氫系統(tǒng)首次突破兆瓦級。隨著技術(shù)進(jìn)步，成本進(jìn)一步下降，PEM水電解制氫將與堿性水電解制氫成為主要制氫技術(shù)。業(yè)內(nèi)分析認(rèn)為，國產(chǎn)大型PEM水電解制氫裝置取得重大突破，將進(jìn)一步為大規(guī)模可再生能源制氫示范奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

重要技術(shù)路線

目前，制氫方式分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及可再生能源制氫三大類，化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫仍是主要應(yīng)用方向，可再生能源制氫則是未來趨勢。

根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，理論上通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質(zhì)子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。據(jù)專家介紹，高溫固體氧化物水電解制氫，對設(shè)備要求高，技術(shù)難度更大，且工作環(huán)境苛刻，目前技術(shù)成熟度不高，未走向工業(yè)應(yīng)用。

中船重工集團(tuán)718研究所工作人員介紹稱，目前工業(yè)化應(yīng)用的電解槽主要分兩種技術(shù)路線，第一種是堿性電解槽、第二種是PEM電解槽。“我國目前最成熟的電解水制氫技術(shù)是堿性電解水技術(shù)，在上世紀(jì)八九十年代就已開始研發(fā)應(yīng)用，不過隨著 PEM 電解制氫的逐漸成熟， 滲透率有望快速提升，預(yù)計(jì)未來兩種制氫方式二分天下。”

今年以來，國內(nèi)水電解制氫設(shè)備需求迎來大幅上漲，PEM水電解制氫技術(shù)進(jìn)展迅速。目前，國內(nèi)有中科院大連化物研究所、中船重工集團(tuán)718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術(shù)研究，其設(shè)備訂單同比都有明顯增長，但當(dāng)前國內(nèi)交付應(yīng)用的設(shè)備大多是小型電解槽。

具備獨(dú)特優(yōu)勢

中科院大連化物所一位水電解制氫技術(shù)研究員告訴記者，堿性水電解制氫綜合成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題，適應(yīng)波動性較差，與風(fēng)光結(jié)合時需要配備儲能。與之相比，PEM水電解制氫技術(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)電的波動性特征，易于與可再生能源消納相結(jié)合。

質(zhì)子交換膜制備曾長期被杜邦、戈?duì)柕让绹腿毡旧贁?shù)廠家壟斷，目前，國內(nèi)東岳、科潤等企業(yè)正積極布局，東岳150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程已投產(chǎn)，科潤100萬平米質(zhì)子交換膜項(xiàng)目也已開工。隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷突破，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代的空間巨大。

在投資成本方面，目前PEM電解的投資體量是堿性電解的5-10倍，PEM電解成本投入也比堿性電解水至少多一倍。上述研究員認(rèn)為，可再生能源快速發(fā)展的背景下，PEM水電解制氫具有獨(dú)特優(yōu)勢，值得發(fā)展，目前需要攻克貴金屬催化劑成本過高、質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化等問題。

“堿性水電解設(shè)備單位造價(jià)低但開機(jī)速度長，PEM水電解設(shè)備單位造價(jià)高，但開機(jī)速度快，因此對于可再生能源發(fā)電制氫而言，需要尋求功率穩(wěn)定和波動較小。事實(shí)上，這兩種水電解制氫技術(shù)并不矛盾，考慮到經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性，未來應(yīng)用方向應(yīng)以堿性設(shè)備結(jié)合PEM設(shè)備為主。”中船重工集團(tuán)718研究所工作人員告訴記者。

市場空間廣闊

國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近年來全球電解水年新增裝機(jī)容量快速增長。2014年，全球電解水新增裝機(jī)僅9100千瓦，到2019年，全球電解水裝置當(dāng)年新增規(guī)模達(dá)25400千瓦。同時，IEA預(yù)測，2020-2023年，電解水年新增裝機(jī)容量將呈現(xiàn)高速增長，到2023將達(dá)143.31萬千瓦，較2014年相比，年均復(fù)合增速將高達(dá)75.44%。

PEM電解制氫技術(shù)因可以快速啟停，能匹配可再生能源發(fā)電的波動性，提高電力系統(tǒng)靈活性，正逐漸成為可再生能源發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。中國氫能聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國氫氣年需求量為3342萬噸，主要供應(yīng)來源于化石能源制氫和成本較低的工業(yè)副產(chǎn)制氫，可再生能源電解制氫僅占總供應(yīng)量的1.52%左右，約51萬噸。

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國氫氣年均需求將達(dá)3715萬噸，煤制氫結(jié)合碳捕捉和封存(CCS)技術(shù)和可再生能源電解制氫將成為有效的供氫主體，可再生能源電解制氫占整體的比例將提升至15%。申萬宏源證券的報(bào)告顯示，屆時，水電解制氫設(shè)備需求量將持續(xù)提升，市場巨大。