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(shè)備成本較高、壽命較低，且實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)達國家正重點開展技術(shù)攻關(guān)以突破技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)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)視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦AE制氫技術(shù)規(guī)模化和PEME制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
我國在電解水技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出以AE制氫為主、PEME制氫技術(shù)為輔的工業(yè)應(yīng)用狀態(tài)。其中我國AE制氫設(shè)備量全球占有率排名第一，隨著可再生能源電解水制氫有望成為未來主流制氫方式，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(shè)備目前正處于研發(fā)狀態(tài)，有望在1~2年內(nèi)投放市場。但我國在電解水制氫技術(shù)方面與國外先進水平仍有一定差距。
我國應(yīng)采取AE和PEME制氫技術(shù)并舉路線，重點提升電解槽關(guān)鍵材料及組件的性能，開發(fā)出高性能、長壽命、低成本的AE及PEME制氫設(shè)備，形成系統(tǒng)性、自主化的完整產(chǎn)品體系，滿足可再生能源制氫、傳統(tǒng)工業(yè)制氫及其他用氫場景的需求。“十四五”期間重點推動大容量AE制氫技術(shù)示范應(yīng)用，著力推動PEME制氫技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，加強兩種技術(shù)融合應(yīng)用及電氫系統(tǒng)示范。具體電解水制氫技術(shù)路線如圖1所示。
在AE制氫技術(shù)方面，重點開發(fā)高活性、長壽命析氫析氧催化電極，新型高氣阻、低電阻、環(huán)保型隔膜;開展堿性水電解槽流場模擬，優(yōu)化電解槽流場結(jié)構(gòu)設(shè)計;并基于基礎(chǔ)技術(shù)研究成果，開展零極距堿性電解槽設(shè)計。針對可再生能源制氫的需求，開發(fā)模塊化并聯(lián)的大規(guī)模電解制氫系統(tǒng)及其控制技術(shù)，開展快速變載工況的高效制氫技術(shù)研究，開發(fā)大規(guī)模可再生能源制氫調(diào)度、控制技術(shù)，以及開發(fā)高壓堿性水電解制氫設(shè)備等。
圖1 電解水制氫技術(shù)路線圖
在PEME制氫技術(shù)方面，重點開發(fā)高性能納米級催化劑，低貴金屬擔(dān)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(chǔ)上，加快相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
PEME設(shè)備集成方面，開展質(zhì)子交換膜電解槽功能組件的建模及流場模擬，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的零極距質(zhì)子交換膜電解槽，開發(fā)高一致性質(zhì)子交換膜電解槽組裝技術(shù)等。開展MW級PEME制氫系統(tǒng)的集成設(shè)計，研究高功率密度下制氫設(shè)備的氣、熱管理技術(shù)。開發(fā)PEME制氫設(shè)備壽命快速評測技術(shù)，建立設(shè)備壽命數(shù)據(jù)庫。
為實現(xiàn)上述技術(shù)目標，需進行以下課題開發(fā)：
1）高效、長壽命堿性水電解制氫技術(shù)（2025年）
關(guān)鍵材料與組件方面，開發(fā)高活性析氫、析氧催化電極，深入研究材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，評測工況條件下新電極的壽命，開發(fā)易于實現(xiàn)的高效、長壽命催化電極制備技術(shù)，并進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
研發(fā)功能涂層材料，克服編織結(jié)構(gòu)隔膜經(jīng)緯線間空隙大的缺點，以及開展聚合物復(fù)合隔膜、超細纖維無規(guī)堆砌的非織造隔膜等新型結(jié)構(gòu)隔膜的研發(fā)工作，開發(fā)出高離子傳導(dǎo)性、高氣阻、低電阻、環(huán)保型堿性水電解隔膜。開展高壓密封材料研究，開發(fā)高壓堿性水電解制氫設(shè)備。
設(shè)備開發(fā)方面，開展全系列堿性水電解槽流場模擬，分析高氣液比流體在電解小室狹小空間內(nèi)的流體流動及傳熱傳質(zhì)特點，優(yōu)化電解槽流場結(jié)構(gòu)設(shè)計。開展新型零極距堿性電解槽設(shè)計，降低電解槽材料接觸電阻。開發(fā)模塊化并聯(lián)的電解制氫設(shè)備集成優(yōu)化、制造技術(shù)及負荷耦合控制機制，實現(xiàn)大容量制氫設(shè)備線性擴容，滿足規(guī)模化可再生能源制氫需求。并針對大容量AE制氫設(shè)備開展氣液處理等單元設(shè)備及工藝系統(tǒng)重構(gòu)研究，優(yōu)化單元設(shè)備設(shè)計，提高系統(tǒng)集成度及自動化控制水平。
可再生能源耦合制氫方面，開發(fā)百兆瓦級大規(guī)模可再生能源制氫系統(tǒng)，建立通用的系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)、集成調(diào)度與運維控制規(guī)范，為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究可再生能源波動對壽命的影響、開發(fā)可再生能源制氫綜合能效評價技術(shù)。開發(fā)大規(guī)模可再生能源制氫大數(shù)據(jù)管理平臺。
2）高效低成本MW級PEME制氫系統(tǒng)（2025年）
關(guān)鍵材料及組件方面，開展低擔(dān)載量貴金屬納米催化劑及其載體研究，開發(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。開展低貴金屬擔(dān)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)。開發(fā)膜電極制備的關(guān)鍵配套設(shè)備。
開發(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(shù)間的關(guān)系，形成最優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高PEME設(shè)備的性能。開發(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(shè)備全周期的成本。
系統(tǒng)設(shè)備方面，開展質(zhì)子交換膜電解槽極板及集流體功能組件的建模及流場模擬，分析其流體流動及傳質(zhì)傳熱的特征，優(yōu)化極板及集流體的設(shè)計。基于材料及組件的研究成果，開展新型零極距質(zhì)子交換膜電解槽設(shè)計，降低電解槽材料接觸電阻及其制造成本。開展MW級PEME制氫系統(tǒng)的集成設(shè)計，研究高功率密度下制氫設(shè)備的氣、熱管理技術(shù)。開發(fā)PEME制氫設(shè)備壽命快速評測技術(shù)，建立設(shè)備壽命數(shù)據(jù)庫。
3）P2G場景下高效、長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工況下的衰減機理，明確影響因素，開發(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(yīng)特性，開發(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)。開發(fā)系統(tǒng)綜合能效評價技術(shù)，形成科學(xué)可靠的可再生能源制氫評價體系。
