電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解(Alkaline Electrolyzer, AE)制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜水電解(Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME)制氫技術(shù)和固體氧化物水電解(Solid Oxide Electrolyzer, SOE)制氫技術(shù)。

目前，PEME制氫技術(shù)的瓶頸在于設備成本較高、壽命較低，且實(shí)際的電解效率還遠低于理論效率(其制氫效率潛力有望超出AE制氫技術(shù))，因此歐美發(fā)達國家正重點(diǎn)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)以突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現PEME制氫技術(shù)的更大發(fā)展。SOE制氫技術(shù)采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，理論能效最高，但該技術(shù)尚處于實(shí)驗室研發(fā)階段。目前，美國、日韓和歐洲均將電解水制氫技術(shù)視為未來(lái)的主流發(fā)展方向，聚焦AE制氫技術(shù)規?；蚉EME制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

我國在電解水技術(shù)領(lǐng)域呈現出以AE制氫為主、PEME制氫技術(shù)為輔的工業(yè)應用狀態(tài)。其中我國AE制氫設備量全球占有率排名第一，隨著(zhù)可再生能源電解水制氫有望成為未來(lái)主流制氫方式，堿性電解水制氫技術(shù)逐步向大容量方向發(fā)展。MW級PEME制氫設備目前正處于研發(fā)狀態(tài)，有望在1~2年內投放市場(chǎng)。但我國在電解水制氫技術(shù)方面與國外先進(jìn)水平仍有一定差距。

我國應采取AE和PEME制氫技術(shù)并舉路線(xiàn)，重點(diǎn)提升電解槽關(guān)鍵材料及組件的性能，開(kāi)發(fā)出高性能、長(cháng)壽命、低成本的AE及PEME制氫設備，形成系統性、自主化的完整產(chǎn)品體系，滿(mǎn)足可再生能源制氫、傳統工業(yè)制氫及其他用氫場(chǎng)景的需求?！笆奈濉逼陂g重點(diǎn)推動(dòng)大容量AE制氫技術(shù)示范應用，著(zhù)力推動(dòng)PEME制氫技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，加強兩種技術(shù)融合應用及電氫系統示范。具體電解水制氫技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

在A(yíng)E制氫技術(shù)方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高活性、長(cháng)壽命析氫析氧催化電極，新型高氣阻、低電阻、環(huán)保型隔膜;開(kāi)展堿性水電解槽流場(chǎng)模擬，優(yōu)化電解槽流場(chǎng)結構設計;并基于基礎技術(shù)研究成果，開(kāi)展零極距堿性電解槽設計。針對可再生能源制氫的需求，開(kāi)發(fā)模塊化并聯(lián)的大規模電解制氫系統及其控制技術(shù)，開(kāi)展快速變載工況的高效制氫技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)大規?？稍偕茉粗茪湔{度、控制技術(shù)，以及開(kāi)發(fā)高壓堿性水電解制氫設備等。

圖1 電解水制氫技術(shù)路線(xiàn)圖

在PEME制氫技術(shù)方面，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高性能納米級催化劑，低貴金屬擔載量、高耐久的膜電極組件，高孔隙率、低電阻集流體，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜性能提升，并在突破核心技術(shù)和零部件的基礎上，加快相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用。

PEME設備集成方面，開(kāi)展質(zhì)子交換膜電解槽功能組件的建模及流場(chǎng)模擬，開(kāi)發(fā)新型結構的零極距質(zhì)子交換膜電解槽，開(kāi)發(fā)高一致性質(zhì)子交換膜電解槽組裝技術(shù)等。開(kāi)展MW級PEME制氫系統的集成設計，研究高功率密度下制氫設備的氣、熱管理技術(shù)。開(kāi)發(fā)PEME制氫設備壽命快速評測技術(shù)，建立設備壽命數據庫。

為實(shí)現上述技術(shù)目標，需進(jìn)行以下課題開(kāi)發(fā)：

1）高效、長(cháng)壽命堿性水電解制氫技術(shù)（2025年）

關(guān)鍵材料與組件方面，開(kāi)發(fā)高活性析氫、析氧催化電極，深入研究材料結構與性能的構效關(guān)系，評測工況條件下新電極的壽命，開(kāi)發(fā)易于實(shí)現的高效、長(cháng)壽命催化電極制備技術(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應用。

研發(fā)功能涂層材料，克服編織結構隔膜經(jīng)緯線(xiàn)間空隙大的缺點(diǎn)，以及開(kāi)展聚合物復合隔膜、超細纖維無(wú)規堆砌的非織造隔膜等新型結構隔膜的研發(fā)工作，開(kāi)發(fā)出高離子傳導性、高氣阻、低電阻、環(huán)保型堿性水電解隔膜。開(kāi)展高壓密封材料研究，開(kāi)發(fā)高壓堿性水電解制氫設備。

設備開(kāi)發(fā)方面，開(kāi)展全系列堿性水電解槽流場(chǎng)模擬，分析高氣液比流體在電解小室狹小空間內的流體流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)化電解槽流場(chǎng)結構設計。開(kāi)展新型零極距堿性電解槽設計，降低電解槽材料接觸電阻。開(kāi)發(fā)模塊化并聯(lián)的電解制氫設備集成優(yōu)化、制造技術(shù)及負荷耦合控制機制，實(shí)現大容量制氫設備線(xiàn)性擴容，滿(mǎn)足規?；稍偕茉粗茪湫枨?。并針對大容量AE制氫設備開(kāi)展氣液處理等單元設備及工藝系統重構研究，優(yōu)化單元設備設計，提高系統集成度及自動(dòng)化控制水平。

可再生能源耦合制氫方面，開(kāi)發(fā)百兆瓦級大規?？稍偕茉粗茪湎到y，建立通用的系統設計、建設、集成調度與運維控制規范，為推廣應用奠定基礎。研究可再生能源波動(dòng)對壽命的影響、開(kāi)發(fā)可再生能源制氫綜合能效評價(jià)技術(shù)。開(kāi)發(fā)大規?？稍偕茉粗茪浯髷祿芾砥脚_。

2）高效低成本MW級PEME制氫系統（2025年）

關(guān)鍵材料及組件方面，開(kāi)展低擔載量貴金屬納米催化劑及其載體研究，開(kāi)發(fā)催化劑宏量制備技術(shù)，降低催化劑成本。研究催化劑中毒失活機理及關(guān)鍵影響因素，提高催化劑的壽命。開(kāi)展低貴金屬擔載量、高耐久性的膜電極組件研究，評測其性能、壽命等關(guān)鍵指標，掌握膜電極制備關(guān)鍵技術(shù)。開(kāi)發(fā)膜電極制備的關(guān)鍵配套設備。

開(kāi)發(fā)高孔隙率、低電阻的鈦基、碳基等材質(zhì)的集流體，分析厚度、孔隙率、電阻率、氣體擴散速率等參數間的關(guān)系，形成最優(yōu)化結構提高PEME設備的性能。開(kāi)發(fā)廢舊膜電極組件負載貴金屬材料的回收及再生利用技術(shù)，降低設備全周期的成本。

系統設備方面，開(kāi)展質(zhì)子交換膜電解槽極板及集流體功能組件的建模及流場(chǎng)模擬，分析其流體流動(dòng)及傳質(zhì)傳熱的特征，優(yōu)化極板及集流體的設計?；诓牧霞敖M件的研究成果，開(kāi)展新型零極距質(zhì)子交換膜電解槽設計，降低電解槽材料接觸電阻及其制造成本。開(kāi)展MW級PEME制氫系統的集成設計，研究高功率密度下制氫設備的氣、熱管理技術(shù)。開(kāi)發(fā)PEME制氫設備壽命快速評測技術(shù)，建立設備壽命數據庫。

3）P2G場(chǎng)景下高效、長(cháng)壽命電解水制氫技術(shù)（2030年）

研究PEME電解槽質(zhì)子交換膜在輸入功率波動(dòng)工況下的衰減機理，明確影響因素，開(kāi)發(fā)延緩質(zhì)子膜衰減的電解槽運行控制技術(shù)。研究變載工況下PEME電解槽的功率響應特性，開(kāi)發(fā)變載工況下的高效電解制氫控制技術(shù)。研究大功率PEME電解槽余熱回收利用技術(shù)。開(kāi)發(fā)系統綜合能效評價(jià)技術(shù)，形成科學(xué)可靠的可再生能源制氫評價(jià)體系。