“氢能十解”系列专题 | 第九解：氢能关键技术之问
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氢能十解
第九解：氢能关键技术之问
作者：张益国、姜海、王宇霖、刘文质
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氢的制备
氢是一种二次能源，需通过一定方法利用其他能源制取。对于绿氢而言，常用的制备方法是电解水制氢，光解水制氢、生物质制氢、核能制氢等新型制氢技术尚处于实验开发阶段，目前不具备大规模制氢的能力。
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技术分析
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电解水制氢是指在直流电作用下将水进行分解，产生氢气和氧气的技术，目前主要分为碱性电解水ALK、质子交换膜电解水PEM、高温固体氧化物电解水SOEC和阴离子交换膜电解水AEM。在技术成熟度上，碱性电解水和PEM质子交换膜电解水处于成熟规模化应用阶段；高温固体氧化物电解水处于生产测试到系统验证阶段；阴离子交换膜电解水AEM处于技术开发阶段。中短期内的大规模电解水制氢项目，仍将以碱性电解水和PEM电解水技术为主；长期来看SOEC和AEM技术，具备光明的应用前景。
碱性电解水ALK制氢技术是目前最为成熟，已大批量商业化规模使用的制氢技术，单槽产氢量在2000~3000Nm³/h，其工作温度介于70~90℃，工作压力介于1~3MPa，电流密度通常小于0.8A/cm²，制氢直流能耗介于4.0~5.0kWh/Nm³，能源效率介于60%~80%。
较之于其他制氢技术，碱性电解水制氢可以采用非贵金属催化剂且电解槽具有15~20年左右的较长使用寿命，因此具有成本上的竞争力。但是该技术使用的电解质是强碱，具有腐蚀性和危害性，加之其启动、调节速度较慢，运行功率范围较窄，与可再生能源发电的适配性还有待进一步提升。
质子交换膜PEM制氢技术近年来产业化发展迅速，目前PEM电解单槽产氢量在400~500Nm³/h，其工作温度介于50~80℃，工作压介于3~7MPa，电流密度通常介于1~4A/cm²，直流制氢能耗介于3.8~4.8kWh/Nm³，能源效率略高于碱性电解。
质子交换膜电解技术流程简单，结构紧凑，体积远小于同规模的碱性电解系统，且运行功率范围更宽10%～150%，启动更快，适应可再生能源发电的波动性特征，易于与可再生能源相结合。但是，PEM电解槽需要使用含贵金属（铂、铱）的电催化剂和特殊膜材料，成本较高，使用寿命也不如碱性电解槽，目前仍处于示范推广阶段。
电解水制氢当前行业内的技术攻克目标主要是负荷响应范围、交（直）流电耗、系统耗水量等，负荷响应范围主要是针对新能源发电的随机性、波动性实现电解水制氢设备的0%~150%宽功率响应、交（直）流电耗从5.0kWh/Nm³水平降至4.0kWh/Nm³水平、系统耗水量从每吨氢耗水20t降至10t。