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）。堿性電解水技術（AE）是我國目前最成熟的電解水制氫技術，不過隨著 PEM 電解制氫的逐漸成熟， 滲透率有望快速提升，預計未來兩種制氫方式二分天下。
近日，大連化物所燃料電池系統(tǒng)科學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現(xiàn)滿功率運行。經(jīng)專家現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)額定產(chǎn)氫220 標準立方米/小時，峰值產(chǎn)氫達到275 標準立方米/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。隨著技術進步，成本進一步下降，PEM水電解制氫將與堿性水電解制氫成為主要制氫技術。業(yè)內(nèi)分析認為，國產(chǎn)大型PEM水電解制氫裝置取得重大突破，將進一步為大規(guī)?？稍偕茉粗茪涫痉兜於夹g基礎。
重要技術路線
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，對設備要求高，技術難度更大，且工作環(huán)境苛刻，目前技術成熟度不高，未走向工業(yè)應用。
中船重工集團718研究所工作人員介紹稱，目前工業(yè)化應用的電解槽主要分兩種技術路線，第一種是堿性電解槽、第二種是PEM電解槽?！拔覈壳白畛墒斓碾娊馑茪浼夹g是堿性電解水技術，在上世紀八九十年代就已開始研發(fā)應用，不過隨著 PEM 電解制氫的逐漸成熟， 滲透率有望快速提升，預計未來兩種制氫方式二分天下?！?
今年以來，國內(nèi)水電解制氫設備需求迎來大幅上漲，PEM水電解制氫技術進展迅速。目前，國內(nèi)有中科院大連化物研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術研究，其設備訂單同比都有明顯增長，但當前國內(nèi)交付應用的設備大多是小型電解槽。
具備獨特優(yōu)勢
中科院大連化物所一位水電解制氫技術研究員告訴記者，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，適應波動性較差，與風光結合時需要配備儲能。與之相比，PEM水電解制氫技術的運行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高，適應可再生能源發(fā)電的波動性特征，易于與可再生能源消納相結合。
質(zhì)子交換膜制備曾長期被杜邦、戈爾等美國和日本少數(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)子交換膜項目也已開工。隨著國內(nèi)技術的不斷突破，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜實現(xiàn)進口替代的空間巨大。
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。上述研究員認為，可再生能源快速發(fā)展的背景下，PEM水電解制氫具有獨特優(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。
“堿性水電解設備單位造價低但開機速度長，PEM水電解設備單位造價高，但開機速度快，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。事實上，這兩種水電解制氫技術并不矛盾，考慮到經(jīng)濟性、適應性，未來應用方向應以堿性設備結合PEM設備為主?！敝写毓ぜ瘓F718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)計數(shù)據(jù)顯示，近年來全球電解水年新增裝機容量快速增長。2014年，全球電解水新增裝機僅9100千瓦，到2019年，全球電解水裝置當年新增規(guī)模達25400千瓦。同時，IEA預測，2020-2023年，電解水年新增裝機容量將呈現(xiàn)高速增長，到2023將達143.31萬千瓦，較2014年相比，年均復合增速將高達75.44%。
PEM電解制氫技術因可以快速啟停，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量的1.52%左右，約51萬噸。
在碳達峰、碳中和目標下，我國氫氣年均需求將達3715萬噸，煤制氫結合碳捕捉和封存(CCS)技術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%。申萬宏源證券的報告顯示，屆時，水電解制氫設備需求量將持續(xù)提升，市場巨大。
