氢能作为一种高效且环保的能源载体，在未来能源结构转型中将发挥关键作用。
氢气的来源
目前，全球约96%的氢属于化石能源生产的“灰氢”。“灰氢”虽短期内具有成本优势，但大量CO₂排放不利于社会的可持续发展。碳捕集技术的发展可一定程度上减少碳排放，但发展低碳排放的制氢技术才是解决这一问题的根本途径。
水电解制氢可以在电力的驱动作用下将原料水直接分解为氢气和氧气，这一过程几乎是零碳排放。耦合可再生能源发电和水电解制氢将真正意义上实现氢气制取的零碳排放，得到所谓的“绿氢”，同时氢作为储能介质，可以平抑可再生能源电力的波动性，推动风电、光电的大规模利用。
因此，发展水电解制氢技术，是推动我国能源结构转型、实现双碳目标的重要技术手段。
水电解制氢技术
根据国际能源署预测，到2050年全球氢需求量将大幅增长至5.3亿吨，其中水电解生产氢气的比例将从5%上升至60%以上。
时下主要的水电解技术有四种:碱性水电解（ALK）、质子交换膜水电解（PEM）、阴离子交换膜水电解（AEM）和固体氧化物水电解（SOEC）。
图：电解水制氢的工艺流程图1—整流装置 2—离子净化器 3—电解槽
4—气体分离及冷却设备 5—气体洗涤塔 6—电解液储罐
7—气罐 8—过滤器 9—压缩机 10—气体精制塔
11—干燥装置 12—高压氢气氧气储存及装瓶
碱性水电解制氢（ALK）
碱性水电解制氢是目前最成熟、应用最广的技术，以20%-30% KOH溶液为电解液，工作电流密度为0.2-0.5A/cm²，能耗为4.5-5.5kWh/m³H₂，但由于采用多孔陶瓷或者聚合物膜等物理隔膜，目前最常用的是聚苯硫醚（PPS）隔膜，但仍存在动态响应差、碱液腐蚀、压力-液位控制困难、串气安全问题等缺点。
阴离子交换膜（AEM）
为解决这些问题，一些学者提出使用气密性良好、电阻性低且成本较低的阴离子交换膜来替代隔膜，即阴离子交换膜（AEM）水电解，不仅可以解决碱性电解的串气问题，还可以降低碱液浓度并提高电流密度。但由于研究起步较晚，技术还不够成熟，阴离子交换膜的寿命尚无法满足大规模商业化需求。
质子交换膜水电解（PEM）
区别于碱性水电解制氢，PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体阻隔性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代各膜来隔绝阴极两极的气体，并传递质子。因此，PEM水电解可以直接用纯水进行电解，避免了碱液因与CO₂反应产生的不溶性碳酸盐造成的堵塞以及碱液排放或者泄露造成的污染等问题。
此外，PEM电解槽采用零间隙结构设计，体积更为紧凑，占地面积小，极大降低了电解槽的欧姆内阻，使得PEM电解制氢工作电流密度更高（˃1A/cm²），直流电耗更低[4.0-5.0kWh/m³H₂]。因为质子交换膜的气体阻隔性更好以及采用纯水电解，所以电解产生的氢气纯度更高（>99.99%）、压力更大（3~7MPa），从而降低了氢气纯化以及氢气压缩所消耗的能量。
最后，相比于碱性水电解，PEM水电解动态响应速度更快，负荷范围更宽，因此与波动性可再生能源电力系统的适配性更好。
固体氧化物水电解（SOEC）
SOEC水电解技术在电解器件设计和工作条件上与前三种制氢技术有明显不同之处。SOEC采用全固态电解槽设计，使用多孔金属陶瓷Ni/YSZ作阴极、钙钛矿氧化物等非贵金属催化剂作阳极，常用电解质为YSZ基氧离子导体或BZCY基质子导体，工作温度可达600℃以上，但对材料在高温下的化学稳定性、热机械稳定性以及高温密封提出了较高要求，限制了该技术的推广应用。
不同水电解制氢技术的性能对比
制氢 技术 | 阴阳极 隔膜 | 工作 温 度℃ | 电流 密度 A/ cm² | 能耗 kWh /m³ | 优点 | 缺点 | 商业化 程度 |
ALK | PPS | 70 ~100 | 0.2 ~0.5 | 4.5 ~5.5 | 不使用 贵金属 催化剂、成本低 | 效率较低，碱液腐蚀 设备、 压力-液位 控制困难 | 充分 商业化 |
PEM | 质子 交换膜 | 60 ~90 | 1~6 | 3.6 ~4.4 | 负荷波动 可调幅 度大、安 全性高、 启停 速度快 | 价格高、 单槽 规模小 | 商业 化初期 |
AEM | 阴离子 交换膜 | 60 ~90 | 0.3 ~0.8 | 4.8 | 体积小、 安全 性高、 不使用贵 金属 催化剂 | 规模小 阴离子 交换 膜技术 不成熟 | 实验室 研发阶段 |
SOEC | 氧化物 导电体 | 600 ~ 1000 | 0.3 | 2.23 ~2.27 | 无需使用 贵金属 催化剂、效率高 | 启停速度 慢、材料 衰减快 | 实验室 研发阶段 |
考虑到未来制氢技术与可再生能源耦合使用的需求，针对可再生能源的间歇性和波动性，具有响应速度快、启停迅速特点的PEM水电解制氢技术无疑是最合适的选择。其主要研究方向是包括降低电极催化剂使用量、增强质子交换膜导电性、提升材料稳定性和寿命等。
随着相关材料和工艺的进一步突破，PEM电解制氢技术必将在可再生能源负荷平衡和绿色氢能产业链发展中发挥关键作用。
（转自：氢能源燃料电池电动汽车）
