根據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科學與工程研究中心研制的兆瓦級質子交換膜水電解制氫（以下簡稱“PEM水電解制氫”）系統，在國網安徽公司氫綜合利用站實現滿功率運行。經專家現場測試，該系統額定產氫220標準立方米/小時，峰值產氫達到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。業內分析認為，國產大型PEM水電解制氫裝置取得重大突破，將進一步為大規模可再生能源制氫示范奠定技術基礎。
重要技術路線
目前，制氫方式分為化石能源制氫、工業副產制氫以及可再生能源制氫三大類，化石能源制氫和工業副產氫仍是主要應用方向，可再生能源制氫則是未來趨勢。
根據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）、質子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。據專家介紹，高溫固體氧化物水電解制氫，對設備要求高，技術難度更大，且工作環境苛刻，目前技術成熟度不高，未走向工業應用。
中船重工集團718研究所工作人員介紹稱，目前工業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。“我國目前最成熟的電解水制氫技術是堿性電解水技術，在上世紀八九十年代就已開始研發應用，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，但當前國內交付應用的設備大多是小型電解槽。
具備獨特優勢
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、產氫壓力高，適應可再生能源發電的波動性特征，易于與可再生能源消納相結合。
質子交換膜制備曾長期被杜邦、戈爾等美國和日本少數廠家壟斷，目前，國內東岳、科潤等企業正積極布局，東岳150萬平米質子交換膜生產線一期工程已投產，科潤100萬平米質子交換膜項目也已開工。隨著國內技術的不斷突破，國產質子交換膜實現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，可再生能源快速發展的背景下，PEM水電解制氫具有獨特優勢，值得發展，目前需要攻克貴金屬催化劑成本過高、質子交換膜國產化等問題。
“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電制氫而言，需要尋求功率穩定和波動較小。事實上，這兩種水電解制氫技術并不矛盾，考慮到經濟性、適應性，未來應用方向應以堿性設備結合PEM設備為主。”中船重工集團718研究所工作人員告訴記者。
市場空間廣闊
國際能源署（IEA）統計數據顯示，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電的波動性，提高電力系統靈活性，正逐漸成為可再生能源發展和應用的重要方向。中國氫能聯盟的數據顯示，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副產制氫，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提升，市場巨大。
