丁歷威 ，彭笑東 ，侯繼彪 ，康偉 ，呂洪坤 ，章康 ，侯成龍

（1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2. 北京智慧能源研究院，北京 102209）

一、前言

全球變暖趨勢更為明確，開發(fā)清潔能源能夠緩解使用化石燃料產(chǎn)生的大量溫室氣體排放[1,2]，因而開發(fā)風能、太陽能等可再生能源對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?？稍偕茉淳哂泻軓姷臅r空依賴性、間歇性、波動性等特點，在并網(wǎng)中也面臨著可靠性和調峰調頻的難題[3]。因此，將可再生能源電力轉化為化學能儲存后再進行應用，更具靈活性，是源、網(wǎng)、荷協(xié)調發(fā)展的有效途徑。

氫氣具有清潔、質量 / 能量密度高的優(yōu)點，是一種高效的能量載體，可在高碳排放工業(yè)、電力等領域中替代煤炭、天然氣等化石燃料，應用前景廣闊[4]?？稍偕茉措娊馑茪涫菍崿F(xiàn)可能生能源消納、氫能綠色制取的有效途徑，常見技術有堿性電解水[5]、質子交換膜（PEM）電解水[6]、陰離子交換膜電解水[7]、固體氧化物電解水[8]。其中，PEM電解水技術具有較高的電流密度、效率（80%~90%）、氣體純度，較低的能耗和體積，較好的安全可靠性[9,10]。開展PEM電解水技術研發(fā)是支持實現(xiàn)可再生能源電力耦合制氫的重要內(nèi)容。

也要注意到，可再生能源如風電、太陽能發(fā)電等具有波動性和間歇性的天然特征，發(fā)展適用于負荷頻繁波動的可再生能源電力電解水技術是風電、太陽能發(fā)電耦合制氫的關鍵構成。PEM電解水技術在理論上具有一定的波動性負荷跟隨能力（可在30%~120%額定制氫功率范圍內(nèi)運行），但缺乏工程示范和商業(yè)運行驗證[11]。為了模擬可再生能源電力制氫，研究過程中采用的模擬工況有恒電流、波動工況、啟停工況等。在風光波動電源工況下，電解池內(nèi)的電極電位、析氫速率、溫度等參數(shù)發(fā)生瞬態(tài)變化；由于兩相流動等傳質過程的滯后效應，快速、頻繁、大幅度負荷波動工況將導致局部高溫、高電勢以及局部應力，對電極、交換膜、雙極板等部件造成潛在的不可逆損害，進而影響系統(tǒng)工作壽命。目前，國內(nèi)外對電解槽在波動工況下的運行特性、部件衰減機制等都開展了不少研究，但未能針對風光波動電源下PEM電解水制氫開展系統(tǒng)的梳理和分析。

本文圍繞風光波動電源下電解水高效制氫技術的發(fā)展與應用，從風光波動特性及制氫方式、PEM電解水制氫特性及衰減機制、制氫應用現(xiàn)狀、關鍵技術研發(fā)等方面，系統(tǒng)探討風光波動電源耦合制氫存在的問題，以期為相應技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應用研究提供基礎參考。

二、可再生電力風光波動電源制氫場景

可再生能源電力的主流形式是風電和光伏發(fā)電，具有波動性強的固有屬性。分析風光電力的波動特性，才能為風光波動電源下電解水制氫技術發(fā)展辨明基礎條件（見圖1）。

（一）風電耦合制氫

風電耦合制氫主要分為并網(wǎng)型、離網(wǎng)型[12]。對于并網(wǎng)型風電，電網(wǎng)通過能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)電壓、頻率控制，確保電解池在較穩(wěn)定的電壓下制氫；相應并網(wǎng)方式主要有同步風電并網(wǎng)、異步風電并網(wǎng)兩種[13]。并網(wǎng)型風電耦合制氫主要有3種應用場景：利用富余風電制氫，起到電網(wǎng)“削峰”作用；借助氫能并通過燃料電池等技術發(fā)電，起到電網(wǎng)“填谷”作用；利用電網(wǎng)供電解決風電的間歇性問題，增強制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

離網(wǎng)型風電相較于并網(wǎng)方式，省去了并網(wǎng)輔助設備，可以避免并網(wǎng)帶來的問題，降低了制氫成本。特別是對于海上風電而言，采取離網(wǎng)發(fā)電方式可有效解決電力輸送的問題；石油和天然氣傳輸基礎設施可兼作海上風電制氫的輸送通道，使相應管道的投資成本顯著下降。通常，離網(wǎng)型風電耦合制氫主要有兩種應用場景：獲取的氫氣通過輸氣管道或運氫船輸出，由風電、變換器、電解槽、儲氫設備、燃料電池等構建微網(wǎng)系統(tǒng)。

（二）光伏發(fā)電耦合制氫

光伏發(fā)電耦合制氫也可分為并網(wǎng)型、離網(wǎng)型。并網(wǎng)型光伏發(fā)電耦合制氫將光伏組件產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)，再從電網(wǎng)獲取電能進行電解水制氫，常用于大規(guī)模棄光消納和儲能；離網(wǎng)型光伏發(fā)電耦合制氫指將光伏組件產(chǎn)生的電能直接供給電解槽制氫，主要用于分布式制氫。光伏發(fā)電耦合PEM電解水制氫技術主要采用光伏直流?直流變換間接耦合、光伏直接耦合兩種途徑。

1. 光伏直流?直流變換間接耦合制氫

光伏發(fā)電的輸出功率受太陽輻射、環(huán)境溫度、外界負載等多重因素的影響，難以直接為負載提供最佳功率。通常在光伏組件與電解池之間加入直流?直流變換器，更好匹配光伏電壓與電解池電壓，進而提高制氫效率。常用的手段是最大功率密度跟蹤，如利用脈沖寬度調制技術調整占空比以跟蹤最大功率點、調節(jié)變換器輸出電流的魯棒控制等[14~16]。盡管直流?直流變換器能有效提高制氫效率，但變換器產(chǎn)生的紋波會導致輸入電流的電平判別錯誤，進而影響電解池的工作效率；直流變換產(chǎn)生的損耗增加了運行成本，對制氫系統(tǒng)的持久性和裝置壽命也會產(chǎn)生影響。

2. 光伏直接耦合制氫

光伏發(fā)電器件與電解池的直接耦合精簡了光伏發(fā)電耦合制氫系統(tǒng)的復雜度。例如，光伏電解系統(tǒng)由2個PEM電解池與三結節(jié)太陽能光伏電池直接連接構成[17]，可產(chǎn)生足夠的電壓來維持基于太陽能光伏電池的電解池制氫過程；調整光伏最大功率密度點與電解池進行匹配，可使得太陽能?氫的轉化效率高達30%。然而，直接耦合下光伏電池的電壓、電流波形直接作用于電解池，對電解池的長時間安全穩(wěn)定運行構成了挑戰(zhàn)。

（三）可再生能源的波動特性

風電負荷波動的頻率范圍較大，較大頻率尺度平滑作用不顯著。風力發(fā)電受風速影響較大，發(fā)電量與風速之間的非線性關系使得分析過程更為復雜。風速、風向和發(fā)電量在不同時間段有著顯著的差異性。在時間尺度上，風力發(fā)電模式在日、月和不同季節(jié)都會發(fā)生變化。近年來，不少研究者探索建立理論模型對風力發(fā)電量進行更精細的預測，已建模型考慮了湍流的空間變化、風輪自身產(chǎn)生的湍流影響以及這些因素之間的相互作用[18]。雖然已經(jīng)采用聚類方法對風速的時間序列數(shù)據(jù)進行了比較和分類，但由于風力發(fā)電的波動特性與風力機慣性、偏航 / 俯仰角控制等因素密切相關，尚未形成相應波動模式的分類。風力機電力輸出與風速的三次方成正比，因而詳細了解風特性至關重要。風特性可由風速譜來描述，數(shù)值越大表明風速在相應時間段內(nèi)發(fā)生了越顯著的變化；一般也認為多臺風力機并機時產(chǎn)生的波動幅度將顯著降低。在1~2 km范圍內(nèi)的6個點位，利用多個風速數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在快速波動區(qū)域出現(xiàn)了平滑效應，而在超過10 min的波動區(qū)域幾乎沒有觀察到平滑效應[19]。

光伏發(fā)電負荷波動主要表現(xiàn)為晝夜周期特性。光伏發(fā)電在穩(wěn)定的太陽輻射條件下產(chǎn)生較高的發(fā)電量、較低的太陽輻射波動率（< 50 W/(m2·min)），而在不穩(wěn)定的太陽輻射條件下產(chǎn)生較低的發(fā)電量、較高的太陽輻射波動率（> 150 W/(m2·min)）[20]。預測光伏發(fā)電需要了解太陽輻照模式（按天劃分），目前常用時間序列數(shù)據(jù)進行分類，如聚類方法、樣本熵分析、分形維數(shù)等。在3 km范圍內(nèi)采用9個光伏發(fā)電并機，可顯著降低晴天條件下的波動幅度，甚至在多云天氣下的波動幅度也可降低50%以上。因此，增加光伏電站的數(shù)量及規(guī)模可以降低光伏發(fā)電的波動幅度[21]。

風電和光伏發(fā)電均可通過多臺機組并機的方式降低發(fā)電的波動，但依然無法避免因風力或者太陽輻照變化導致的電力輸出波動，這就對制氫系統(tǒng)產(chǎn)生了波動性負荷輸入。在較短的時間尺度下，風電表現(xiàn)為分鐘級到小時級的隨機波動，光伏發(fā)電則為基本的晝夜周期特性（見表1）。

表1 風光電力耦合制氫的方式及特點

三、風光波動電源下PEM電解水制氫的基本特性

在風光波動電源下，電解池的工作參數(shù)發(fā)生瞬態(tài)變化，可對主要部件造成不可逆損害。探究風光波動電源下PEM電解水制氫的性能特點、PEM電解槽部件的衰減機理和評估手段，對PEM電解槽部件關鍵技術研發(fā)具有重要價值。

（一）風光波動電源對電解池影響顯著

通常，電解池的輸入電壓會被控制在一定范圍內(nèi)；當電解池輸入功率波動時，電解池電壓發(fā)生小幅度變化，而電流出現(xiàn)顯著波動。在實際應用中采取穩(wěn)壓控制時，一旦電解池輸入功率發(fā)生變化會帶來電流的急劇波動，進而引起電極反應速率的急劇變化，使電解池偏離穩(wěn)定工況。由于電極反應過電位的存在，電壓輸入明顯高于理論電壓；盡管電解水反應是吸熱反應，但因歐姆損耗產(chǎn)生焦耳熱，使電解池即便在穩(wěn)定電源工況下溫度也會隨著時間的推移而逐漸升高。從模擬風電條件下的電解池工作特性可見，瞬態(tài)運行條件下溫度隨著發(fā)電功率波動而變化。電解池溫度下降后，電極反應速率變慢、效率降低。增加功率導致溫度上升，電極表面氧氣、氫氣產(chǎn)率的增加導致電極表面附著氣泡，從而增大催化劑層離子傳遞阻力、降低有效反應面積，進而產(chǎn)生更高的反應過電位，導致電解池電壓升高。氣泡的附著和流動也導致電解液在電極表面的供給不均衡，引起電極表面反應不均勻、局部熱點[22]。

電解池內(nèi)的氣體互竄現(xiàn)象也會產(chǎn)生安全問題。當氧氣中的氫氣濃度達到4%時，構成的混合氣體即可發(fā)生爆燃，故實際運行過程中一般將氧氣中的氫氣閾值設為2%。通常，隨著電流、產(chǎn)氣速率的變化，陰 / 陽極氣體濃度與壓力會發(fā)生波動；尤其在較低的電流密度下，陰 / 陽極氣體產(chǎn)率降低，氣體互竄現(xiàn)象加劇。電解槽運行的溫度、壓力同樣會對氣體互竄產(chǎn)生影響。增加膜的厚度可以有效緩解氣體互竄問題，帶來的負面效應則是增加歐姆內(nèi)阻與離子傳輸阻力[23]。加入額外電極、引入陰極水循環(huán)等方式可加速去除電極表面的氫氣，從而緩解氣體互竄問題[24]。

目前研究對于氣體互竄問題更多是從運行工況上進行調控，以將氣體互竄抑制在安全范圍內(nèi)。對光伏 / 風能驅動的60 kW PEM電解池進行能耗研究發(fā)現(xiàn)，變壓吸附除濕的能量損失最高，輔助設備和交流 / 直流轉換器的能量損失次之，這些能量損失導致電解水過程的效率急劇下降[25]；為了調控運行工況而需額外配備輔助設備，如儲能模塊、氫氣壓縮機等，提高了系統(tǒng)成本并增加了系統(tǒng)復雜度。隨著新能源規(guī)模的快速發(fā)展、電解水制氫技術的不斷迭代，定制化功能模塊和制氫系統(tǒng)的集成度進一步提高，有利于穩(wěn)步提升制氫系統(tǒng)綜合能效。引入以人工智能為代表的信息技術，可精確預測新能源利用過程中的波動參數(shù)，將更加智能地優(yōu)化電解水制氫系統(tǒng)的全特性運行指標、全生命周期的能量管理策略，更深入地考慮太陽輻照變化、風力季節(jié)性變化、電網(wǎng)負荷波動等因素的影響[26]。

風電、光伏發(fā)電具有不同的周期和輸出功率波動。研究和模擬風光電力制氫，常見的模擬工況有恒電流、波動工況、啟停工況。近年來，對恒電流工況的研究比較充分，取得了一些共識性的結論。關于組件的老化和性能衰減，高電流密度要比低電流密度嚴重得多。通常采用恒電流測試催化劑的耐久性，一般也認為大多數(shù)催化劑的穩(wěn)定性良好，但恒電流條件難以反映實際PEM電解池的運行工況。近年來，一些學者通過不同波形的脈沖電源對PEM電解池進行測試，以研究脈沖電源對PEM電解池的影響：脈沖電壓能有效增加電解電流，促進氣泡在電極表面的輸運和電解離子的傳質速率，從而提高產(chǎn)氫效率[27]；不同類型的脈沖電壓、電流條件可有效強化電解水效率，脈沖電源電解水可以降低功率輸入、保持最低的電流水平以防止氣體互竄[28]。也要注意到，盡管脈沖負荷對電解水制氫有利，但實際風光波動電源下電解池參數(shù)的瞬態(tài)變化可能產(chǎn)生局部應力，將顯著影響系統(tǒng)壽命。

近年來，風光波動電源對電解池性能衰減或老化的影響課題，盡管得到了國內(nèi)外學者的較多關注，但一些結論存在分歧。通過PEM電解池的500 h持久性測試，明確了不同運行模式下的電解池性能特性，發(fā)現(xiàn)在快速循環(huán)運行模式（模擬光伏發(fā)電）下，隨著歐姆電阻的減小，電解池性能反而得到提升[29]。在PEM電解池1000 h耐久性測試后發(fā)現(xiàn)，電解池性能衰減速率為194 μV/h，78%的衰減來源于陽極?多孔層歐姆電阻的增加[30]；在風光波動電源條件下電解池性能衰減得到明顯緩解，這是因為風光波動電源使可逆的降解部分恢復，弱化了電極降解問題[31]。不同輸入特性下電解池性能的長期穩(wěn)定性及其衰減機理等，仍需進一步研究。

（二）風光波動電源加速電解池部件衰減

1. 催化層

電解池催化層一般由催化劑（如Pt、RuO2、Ir、IrO2等貴金屬）和黏合劑（如全氟磺酸）構成。為了增強耐久性，催化層通常負載部分導電載體材料，如TiO2、SnO2、Ta2O5、Nb2O5、Sb2O5、TaC、TiC。上述催化劑能夠滿足PEM電解池的高性能要求，但惡劣操作工況下的耐久性難以令人滿意（見表2）。陽極在低催化劑負載條件下性能衰減更嚴重，相應衰減機制主要有溶解、團聚、載體鈍化等模式。對PEM電解池進行長達5500 h的持久性測試后發(fā)現(xiàn)[32]，催化層腐蝕、Pt催化劑降解是導致性能衰減的主要因素。通過高電流密度下PEM電解池電極的持久性能研究發(fā)現(xiàn)[33]，高電壓下Ir催化劑易形成可溶性配合物，而RuO2雖然具有更高的催化活性，但在PEM電解池內(nèi)降解速率更快；穩(wěn)定的IrO2在高于1.8 V電位時開始轉變?yōu)榭扇苄訧r。研究闡明了銥溶解的機理[34]，Ir(OH)3或Ir2O3存在不穩(wěn)定性，Ir(Ⅲ)絡合物的形成導致催化劑的溶解，進而產(chǎn)生電極性能衰減。采用透射電子顯微鏡揭示了鉑遷移與過電位之間的關系[35]，較低的電位增強了鉑遷移，導致鉑聚集物的形成；1000 h的耐久性測試表明，Pt納米顆粒不斷團聚，平均粒徑從2.35 nm增大到2.85 nm。研究了電流密度對PEM電解池性能衰減的影響規(guī)律[36]，發(fā)現(xiàn)高電流密度下產(chǎn)生了不可逆降解反應，在鈦集電器與陽極催化層之間產(chǎn)生的低電導率氧化物，使歐姆阻力增加、電解池性能顯著降低。值得指出的是，PEM電解池高電流密度與風光波動電源疊加，使電極表面的反應速率、氣體產(chǎn)物生成速率發(fā)生急劇變化，導致催化層表面的沖刷和壓力急變，也可能進一步加劇催化層的溶解和脫落。

表2 電解池部件性能衰減機理及緩解措施

2. 交換膜

在傳統(tǒng)的PEM電解池中，交換膜用于分隔氣態(tài)反應產(chǎn)物、質子輸運，支撐陰極和陽極催化層，需要具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、機械強度、熱穩(wěn)定性、質子電導率等特性。交換膜的性能衰減主要源于膜污染或化學降解。從安全性、可靠性角度看，膜的耐久性對于電解池至關重要，膜的破損可能致使產(chǎn)生的氫氣和氧氣直接混合。交換膜降解機制主要分為機械降解、熱降解、化學 / 電化學降解3種（見表2）[37]。

交換膜早期失效通常由穿刺、撕裂、機械應力等因素導致機械降解而引起。在膜電極制作及運行過程中，外來材料、預緊力、局部應力等因素可使交換膜出現(xiàn)撕裂或者微裂紋斷裂。例如，兩端的金屬集電器不均勻壓緊將加劇膜的變形，擴散層粗糙度也會直接影響膜的耐久性。在波動工況下，運行壓力、局部溫度反復變化產(chǎn)生的局部應力等，也會導致交換膜的機械損傷。

交換膜化學 / 電化學降解主要源自自由基作用導致交換膜變薄以及金屬毒化。金屬離子（如Li+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Fe3+）是常見的膜毒物，交換膜離子電導率不可避免地受到金屬離子置換的影響，即使微量的金屬離子也能顯著降低膜的液相電導率。相應毒降解機制可歸納為以下步驟：金屬離子通過擴散和滲透溶解到膜中；金屬離子占據(jù)膜的離子交換位點；膜內(nèi)金屬離子的遷移率遠低于質子，產(chǎn)生更高的歐姆損失[38]。前期研究[39]證實，F(xiàn)ex+對PEM磺酸位點的親和力高于H+，隨著過電壓的增大，質子濃度、電導率、有效三相界面隨之減小。

電解池通常需維持一定的溫度（60~80 ℃）以實現(xiàn)較高的電解效率，水熱環(huán)境下的膜穩(wěn)定性和耐久性是影響電解池耐久性的重要因素。熱降解可能導致交換膜中磺酸成分的喪失，影響交換質子傳導能力并增大電壓損失。采用實時在線測量方式研究了不同溫度下、不同厚度膜電極中膜降解導致的氟釋放速率，發(fā)現(xiàn)較高的溫度導致更高量的氟離子釋放，從而加快交換膜的老化[40,41]。

3. 雙極板

雙極板是電解池的多功能組件，以有效傳導電子、提供反應物 / 產(chǎn)物輸運的通道，保持設備的機械穩(wěn)定性和完整性，作為熱管理的組成部分；作為電解池的主要部件，成本約占PEM電解池的48%，其設計制造應滿足高導電性、耐腐蝕性、低成本、高機械強度的要求。然而，電解池陽極具有高的過電位（1.6~2.0 V）、低的pH（2~4），對雙極板的抗腐蝕和抗氧化能力提出了較高要求。石墨因其高導電性而適用于燃料電池，但石墨用作電解池雙極板存在制造難度大、機械強度差、成本高、腐蝕率高的問題。在電解池陽極中，碳腐蝕減小雙極板厚度，導致膜電極與集電器之間的接觸電阻增大、電解槽性能下降。PEM電解池常見的衰減機制有氫脆、鈍化、腐蝕等，主要采用抗腐蝕性金屬（如鈦、不銹鋼）來增強服役適應性（見表2）。采用真空等離子體噴涂工藝，在不銹鋼表面制備致密的鈦涂層，由電化學腐蝕實驗表明鈦涂層可以保護雙極板免受腐蝕[42]。然而，波動工況下雙極板表面金屬鍍層反復氧化和還原，也在交換膜降解產(chǎn)生F?條件下出現(xiàn)更惡劣的表面腐蝕，使雙極板的耐久性下降更明顯。風光波動電源下電壓 / 電流變化導致電解池溫度的不均勻或急劇變化，產(chǎn)生應力分布不均或反復的應力變化，導致接觸電阻增大、機械性能勞損，最終影響電解池的耐久性。

（三）風光波動電源模擬方式

開發(fā)電解池及其組件的加速衰減測試、壽命評估和耐久性研究方案，有助于評估材料的衰減行為并更好了解材料的衰減機制。PEM電解池的耐久性主要在特定的溫度、壓力條件下通過恒定電流進行評估，電解池壽命測試時間較長（>4×104h），相應耐久性評估成本偏高。目前，還沒有形成標準化和普遍接受的PEM電解池組件耐久性評估方式。歐洲的學術界和產(chǎn)業(yè)界長期致力于表征、測試、評估電解池的性能、效率和耐久性，積累了較豐富的經(jīng)驗，代表性的工作有：利用加速應力測試方法，評估了PEM電解池中的膜化學穩(wěn)定性[43]；研究了不同風光波動電源輸入波形對PEM電解池降解的影響，認為方形波、鋸齒波電源顯著加速電極降解[44]；提出通過恒定電流、開路電壓模擬電解池啟動、停機運行方式，發(fā)現(xiàn)開路條件可加速電解池性能衰減[45]。一般認為，加速衰減通常與電流密度、壓力、溫度有關，而風光波動電源下電解池加速衰減測試方法、相關標準化實施方案等依然缺乏，單一因素條件下的測試手段難以綜合評估風光波動電源下電解池的衰減特性。

四、PEM電解槽核心技術研發(fā)與PEM電解槽制氫技術發(fā)展方向

（一）PEM電解槽技術研發(fā)

風光電力制氫的功率波動范圍較大，對制氫裝置產(chǎn)生的不利影響表現(xiàn)為大幅降低裝備壽命、影響制成氫氣的純度，這些影響源自風光波動電源工況下PEM電解槽主要部件的衰減[46]。從技術角度看，PEM電解槽面臨的主要挑戰(zhàn)是如何通過材料研發(fā)、組裝工藝及優(yōu)化等提升工作性能與穩(wěn)定性。先進材料研發(fā)包括催化層和黏合材料、防腐蝕雙極板、有機離子交換膜等方向。電解槽部件組裝工藝及優(yōu)化主要有膜電極制備方式優(yōu)化、電解槽裝配預緊力優(yōu)化、膜電極 / 電解槽溫度和熱應力分布優(yōu)化、流道優(yōu)化等，近年來以膜電極作為PEM電解槽的重點研究方向。

圍繞電解槽催化劑、交換膜、雙極板等主要部件，開展催化劑研發(fā)的主要途徑有：通過二元或多元金屬復合摻雜，提高催化劑的活性和穩(wěn)定性；選擇耐氧化、比表面高的材料作為催化劑載體，提高催化劑的利用率和活性；設計新型結構催化劑，如核殼結構、納米陣列等[47,48]。目前主要使用的交換膜中，杜邦全氟磺酸質子膜居多，陶氏化學、3M、戈爾、日本旭硝子等品牌的短鏈全氟磺酸質子膜也有應用。為了提高交換膜的穩(wěn)定性，通常采用聚芳烯類聚合物對膜進行強化改性，使用催化材料對隔膜進行修飾，以降低產(chǎn)物氣體交叉[48]。雙極板成本占電解槽的50%以上，通常配置貴金屬涂層以提高耐腐蝕性。未來降低制造成本的工作主要圍繞新型低成本的雙極板材料、表面處理工藝展開。

在組件組裝工藝及優(yōu)化方面，目前研究主要有陰 / 陽極非對稱設計、連接卡位優(yōu)化電解組件固定等。為了適應波動電源，一些研究探討了電解槽中水流量變化、供水管路分布、膜電極結構對兩側氣體滲透、溫度及壓力變化、電流密度等的影響。對于電解槽核心部件，目前最常用的催化劑涂覆膜工藝主要有超聲噴涂法、卷對卷涂布法：相比前者，后者采用一次性涂覆催化劑層，可以更快得到更厚、更均勻的涂層，適應膜電極批量生產(chǎn)需求[49]。為了避免裝配產(chǎn)生的穿刺、開裂、機械應力、不充分的濕化與反應壓力，通常在設計膜電極及其夾緊過程時充分研究所用材料特性，基于實驗裝置開展裝載測試。

在頻繁啟停及風光波動電源下評估組件壽命，需要通過加速測試獲得更多數(shù)據(jù)以提高電堆部件的耐用性，這是當前研發(fā)的另一類挑戰(zhàn)。然而，PEM電解槽組件還沒有標準化的加速衰減測試協(xié)議，電堆部件組分的降解率難以衡量，導致已有研究結果難以開展直接對比[50]。建立標準化的PEM電解槽加速衰減測試協(xié)議，是當下關鍵技術研發(fā)亟待解決的瓶頸問題。

近年來，PEM電解槽各關鍵部件的技術研發(fā)都取得了顯著進展。根據(jù)我國電解水制氫的技術路線，當前PEM電解槽關鍵技術指標為：效率約為63%，壽命約為6×104h，成本約為1萬元/kW。預計到2030年，PEM電解槽關鍵技術指標為：效率達到78%，壽命達到1×105h，成本降至4000元/kW[51]。

（二）PEM電解槽制氫技術發(fā)展方向

風光電力制氫的原理是完成風 / 光能向電力的轉換，進而通過電解槽將電能轉化為氫能。目前主要有4種電解水技術，以堿性電解水技術最為成熟、成本最低，已經(jīng)進入商業(yè)化發(fā)展階段；但PEM電解水技術發(fā)展迅猛，風光電力適配性良好，將是未來可再生能源電力制氫的首選方向。

目前，主要的風光耦合制氫方式有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。并網(wǎng)型制氫雖然克服了制氫電源的波動性問題，但存在電價高、電網(wǎng)通道受限的問題。離網(wǎng)方式將單臺或多臺風力機所發(fā)的電能（不經(jīng)過電網(wǎng)）提供給電解水制氫設備進行制氫，適用于風資源良好但消納受限的地區(qū)，具有穩(wěn)健的商業(yè)模式和廣闊的發(fā)展前景；主要應用于分布式制氫，局部應用于燃料電池發(fā)電供能[52]。

與離網(wǎng)制氫類似，非并網(wǎng)制氫是另一種有效的制氫途徑，省去了并網(wǎng)所需的大量輔助設備（如變流 / 變壓器、濾波系統(tǒng)），成本相比并網(wǎng)制氫大幅降低。非并網(wǎng)制氫采用直流電，有效規(guī)避交流電上網(wǎng)帶來的相位差、頻率差問題，簡化系統(tǒng)并節(jié)省成本。值得指出的是，相對于離 / 并網(wǎng)制氫，非并網(wǎng)風光電解水制氫將風光電力直接與PEM電解槽耦合，實現(xiàn)風光電力聯(lián)網(wǎng)而不并網(wǎng)，從而避免波動性風光電力對電網(wǎng)的沖擊。從這一過程來看，非并網(wǎng)風光電力制氫中的波動電源僅需進行簡單變壓及整流處理，通過變壓器將電壓調整到所需電壓、將交流電整流為直流電[53]。

非并網(wǎng)制氫技術是我國在相關領域中的原創(chuàng)技術，有助于打破波動性可再生能源的技術限制。風光電力不受上網(wǎng)約束，風電和光伏發(fā)電設備可進一步優(yōu)化，能夠顯著降低成本，也可規(guī)避因并網(wǎng)產(chǎn)生的大規(guī)模風力機 / 光伏脫網(wǎng)事故，從而實現(xiàn)解決風光消納問題與促進綠氫能源行業(yè)發(fā)展并舉。

五、風光波動電源電解水制氫產(chǎn)業(yè)應用態(tài)勢

（一）風電耦合制氫現(xiàn)狀及經(jīng)濟性

目前，國內(nèi)外研究的重點是并網(wǎng)型風電制氫在不同應用場景下的適用性和經(jīng)濟性。并網(wǎng)型風電制氫可有效消納棄風（相應棄風率從35.8%降至7.5%），重點研究方向包括系統(tǒng)的配置優(yōu)化、調控策略仿真，主要探究功率頻繁變動下電壓、電流、溫度、壓力、電極材料電化學特性等對制氫裝置運行的影響，優(yōu)化運行和啟?？刂撇呗?，延長電解槽使用壽命。在風電耦合制氫中，海上風電制氫是未來的主流形式之一。世界范圍內(nèi)已公布的電解水制氫項目，儲備總規(guī)模的一半來自海上風電制氫；德國、荷蘭等國家均有百萬千瓦級的海上風電制氫項目規(guī)劃。我國海上風電發(fā)展異軍突起，2021年新增裝機容量超過1.69×107kW，累計裝機容量超過2.638×107kW；預計到2030年，海上風電累計并網(wǎng)裝機容量接近100 GW，平準化度電成本將比目前年水平下降40%以上。

近年來，國外陸續(xù)建成了20多個風電耦合制氫示范項目。在歐洲，重點研究方向有：探究氫能在電網(wǎng)中的儲能優(yōu)勢，提高風能利用率、發(fā)電品質和電網(wǎng)穩(wěn)定性；開展“電轉氣”項目，通過氫儲能提高可再生能源占比；開發(fā)海上風電制氫項目，如荷蘭將在2030年建成3~4 GW海上風電制氫工程，2040年可達10 GW裝機容量、8×105t制氫規(guī)模。我國風電制氫研究起步較晚，在關鍵技術、設計運行經(jīng)驗方面尚有諸多不足，在風電制氫系統(tǒng)的優(yōu)化設計、制氫系統(tǒng)運行及優(yōu)化策略、全生命周期技術經(jīng)濟性評價等方面表現(xiàn)得尤為突出。

與傳統(tǒng)制氫方式相比，電解是決定風電制氫經(jīng)濟性的關鍵因素。電解水制氫成本70%源自電價，按照目前電價計算，風電制氫成本是傳統(tǒng)制氫的2~3倍。當度電成本控制在0.25元時，風電制氫成本與傳統(tǒng)制氫成本持平；若電價走低則具備經(jīng)濟性優(yōu)勢。

（二）光伏發(fā)電耦合制氫現(xiàn)狀及經(jīng)濟性

光伏發(fā)電耦合制氫是可再生能源制氫的另一類主要途徑。2022年，世界光伏新增裝機量為142.8 GW，預計2023年全球光伏新增裝機將為230 GW。目前，全球氫氣需求量約為6×107t/a，若全部制氫來自光伏發(fā)電，則每年需新增約裝機900 GW?？梢?，光伏發(fā)電制氫發(fā)展空間巨大。

當前，國內(nèi)外均積極開展光伏發(fā)電制氫項目（見表3）。多數(shù)光伏制氫項目屬于并網(wǎng)型，部分可實現(xiàn)完全離網(wǎng)、無人值守、智能監(jiān)控制氫。我國光伏發(fā)電制氫發(fā)展迅猛，內(nèi)蒙古、山西、甘肅、吉林等省份是相關示范項目的主要建設地。例如，2023年8月新疆庫車綠氫示范項目全面建成投產(chǎn)，是我國規(guī)模最大的光伏發(fā)電直接制綠氫項目，產(chǎn)氫量為2×104t/a。

光伏發(fā)電制氫產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展瓶頸在于成本過高，光伏度電成本的下降將大幅降低電解水制氫的成本。據(jù)測算，2025年光伏新增裝機發(fā)電的度電成本將低于0.3元，屆時光伏發(fā)電制氫有望趨于平價化；在光資源充沛的地區(qū)，光伏發(fā)電制氫的度電成本甚至有望降至0.15元，將進一步推動制氫成本走低。到2035年、2050年，新增光伏發(fā)電的度電成本將分別為0.2元、0.13元，全面實現(xiàn)良好的經(jīng)濟性。

根據(jù)近期研究預測和“中國2030年‘可再生氫100’發(fā)展路線圖”，我國陸上風電、光伏發(fā)電的電解水制氫已接近平價化。然而，PEM電解水制氫設備要比堿性電解槽高5倍以上，平準化制氫成本高40%左右。為此，未來發(fā)展PEM電解槽制氫的關鍵驅動因素即在降低設備制造和運行成本。隨著制氫產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、相應核心技術的不斷突破，PEM電解槽成本有望降低50%以上，平準化氫氣成本有望降低20%[51]。

六、波動性負荷耦合制氫發(fā)展建議

當前，在國家重點研發(fā)計劃等渠道的支持下，我國學術界和產(chǎn)業(yè)界圍繞風光電解水制氫，通過關鍵技術突破和核心裝備應用，基本構建了風光耦合制氫全鏈條技術體系。然而，在離網(wǎng)或非并網(wǎng)條件下風光耦合PEM電解水制氫依然面臨技術、成本、制度等挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)在電解槽效率較低、成本過高、核心技術成熟度低，技術標準缺乏，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展制度保障不強。為此，面向風光等波動性負荷耦合制氫領域的未來挑戰(zhàn)，提出技術、成本、政策布局等方面的發(fā)展建議。

（一）深化研究風光波動電源下高效電解池的基礎科學問題和核心部件

風光電力負荷存在固有的波動性，模型預測和波動模式未能標準化，潛在的基礎科學問題復雜而關鍵。商業(yè)化應用的前提之一即掌握風光波動電源下電解池耐久性、性能衰減機理及相關標準。電解池的運行和啟停特性、部件衰減機理和模擬測試方法，各要素之間的作用關系等仍不清晰，有待深化研究。

目前，對電解池各部件的穩(wěn)定性和衰減機制有了較清晰的認知，針對單一部件或者電解池整體性能衰減特性的研究已有展開，形成了初步的應對策略。未來需進一步加強相關電解槽設計和衰減評估標準的制定。面向風光電力波動電源，進一步提高部件的熱學、力學、電化學性能，設計和開發(fā)關鍵催化材料，以切實增強電解槽的穩(wěn)定性和服役壽命。在此基礎上優(yōu)化風光?荷?氫相協(xié)調的電解氫系統(tǒng)配置，特別是借助人工智能等手段對當前模型進行進一步優(yōu)化。

（二）進一步降低制氫成本

降低電解槽制造成本，關鍵在于非貴金屬催化劑的開發(fā)與應用。遴選Ni、Co等過渡金屬催化材料，F(xiàn)e等廉價金屬材料應用于電解槽并明確性能，是大幅降低電解槽制造成本的重要方向。按照技術規(guī)劃目標，未來可通過卷對卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法構建膜電極，將催化劑載量從目前的1 mg/cm2逐步降低到0.125 mg/cm2。

雖然目前大部分地區(qū)的電力仍然難以支持實現(xiàn)綠氫平價化，但部分風光資源豐富地區(qū)的度電成本可低至0.3元，已接近或可局部實現(xiàn)綠氫平價化。隨著風光發(fā)電裝機總量的逐年增長，電價成本在不久的將來可支撐風光耦合制氫的商業(yè)化。推動風光制氫一體化，實現(xiàn)寬范圍、低成本風光制氫工程的規(guī)?；l(fā)展，進一步延長制氫工作時長、降低綜合運營成本。

（三）開展風光耦合制氫優(yōu)化布局和制度保障研究

合理布局產(chǎn)業(yè)規(guī)模是風光耦合制氫發(fā)展的關鍵因素，形成體量化的產(chǎn)業(yè)集群對于降低風光耦合制氫成本、提高制氫技術成熟度、加快實現(xiàn)商業(yè)化至關重要。通過綜合布局吸引社會資本、鼓勵技術突破、完善產(chǎn)業(yè)鏈水平，加強技術、資本與產(chǎn)業(yè)的融合，全面提升風光耦合制氫的市場競爭力。

我國已將風光耦合制氫列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，但隨著相關技術的成熟和商業(yè)化，推動氫氣規(guī)范使用和生產(chǎn)等仍需積極的政策引導。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不同階段，及時制定或優(yōu)化調整風電耦合制氫政策，驅動可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的高質量發(fā)展。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:October 16, 2023;Revised date:December 1, 2023

Corresponding author:Peng Xiaodong is a senior engineer of Beijing Institute of Smart Energy. His major research field is PEM water electrolysis for hydrogen production. E-mail: x.peng0316@hotmail.com

Funding project:State Grid Technology project (5211DS22000N)