俞紅梅^1,2，邵志剛^1,2，侯明^1,2，衣寶廉^1,2，段方維³，楊瀅璇³

（1.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連116023；2.中國科學(xué)院燃料電池及復(fù)合電能源重點實驗室，遼寧大連116023；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽110004）

　　摘要：隨著日益增長的低碳減排需求，氫的綠色制取技術(shù)受到廣泛重視，利用可再生能源進行電解水制氫是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低的工藝。本文梳理了氫能需求和規(guī)劃的進展、電解水制氫的示范項目情況，重點分析了電解水制氫技術(shù)，涵蓋技術(shù)分類、堿水制氫應(yīng)用、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫。研究認為，提升電催化劑活性、提高膜電極中催化劑的利用率、改善雙極板表面處理工藝、優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)，有助于提高PEM電解槽的性能并降低設(shè)備成本；PEM電解水制氫技術(shù)的運行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高，適應(yīng)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(jié)合，是電解水制氫的適宜方案。結(jié)合氫儲運與電解制氫的技術(shù)特征研判、我國輸氫需求，提出發(fā)展建議：利用西北、西南、東北等區(qū)域豐富的可再生能源，通過電解水制氫產(chǎn)生高壓氫；氫送入天然氣管網(wǎng)，然后在用氫端從天然氣管道取氣、重整制氫，由此構(gòu)成綠色制氫與長距離輸送的系統(tǒng)解決方案。

　　一、前言

　　回顧人類所消耗的能源形式，遠古時代的鉆木取火、農(nóng)耕時代開始使用的煤炭、工業(yè)時代大規(guī)模應(yīng)用的石油與天然氣，這些能源載體的變化體現(xiàn)了減碳加氫、碳氫比降低的趨勢。當(dāng)前，我國碳達峰、碳中和發(fā)展目標的提出，將進一步提速減碳的過程。氫氣作為零碳的能源載體，正在得到越來越多的關(guān)注：2050年世界上20%的CO₂減排可以通過氫能替代完成，氫能消費將占世界能源市場的18%。

　　氫利用的途徑主要是燃料電池移動動力、分布式電站、化工加氫，新興發(fā)展的是氫燃料汽輪機、氫氣冶金等。氫能的利用需要從制氫開始，由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在，需要通過工業(yè)過程制取。氫氣的來源分為工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等途徑，差別在于原料的再生性、CO₂排放、制氫成本。目前，世界上超過95%的氫氣制取來源于化石燃料重整[1]，生產(chǎn)過程必然排放CO₂；約4%~5%的氫氣來源于電解水，生產(chǎn)過程沒有CO₂排放。制氫過程按照碳排放強度分為灰氫（煤制氫）、藍氫（天然氣制氫）、綠氫（電解水制氫、可再生能源）。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放，因此灰氫、藍氫將會逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代，綠氫是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

　　近年來，可再生能源電解水制氫在國際上呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，許多國家已經(jīng)開始設(shè)定氫能在交通領(lǐng)域之外的工業(yè)、建筑、電力等行業(yè)發(fā)展目標，在政府規(guī)劃、應(yīng)用示范等方面都有積極表現(xiàn)。本文主要就制備綠氫的電解水制氫技術(shù)開展分析和展望，研究綠色制氫與長距離輸送的系統(tǒng)解決方案，為我國能源換代發(fā)展提供思路參考。

　　二、氫能發(fā)展態(tài)勢分析

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　　歐洲清潔氫能聯(lián)盟認為[1]，氫能在能源轉(zhuǎn)型過程中的作用主要有：實現(xiàn)大規(guī)模、高效可再生能源的消納，在不同行業(yè)和地區(qū)間進行能量再分配，充當(dāng)能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)韌性，降低交通運輸過程中的碳排放，降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放，代替焦炭用于冶金工業(yè)，降低建筑采暖的碳排放。

　　從效率上看，氫利用的首選是燃料電池，氫燃料電池技術(shù)的突破帶動了氫的市場需求。以氫為燃料的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池技術(shù)逐漸成熟，正在朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。日本豐田汽車公司2014年開始銷售氫燃料電池汽車（Mirai），累計銷售超過1×10⁴輛；韓國現(xiàn)代汽車公司的燃料電池汽車銷售數(shù)量也相當(dāng)。在亞洲汽車市場的率先推動下，世界燃料電池汽車市場開始蓬勃發(fā)展，2019年世界燃料電池汽車保有量約為2.52×10⁴輛，年銷售量約1.24×10⁴輛。鑒于燃料電池乘用車在商業(yè)化初期面臨加氫困難等問題，我國規(guī)劃提出將燃料電池首先應(yīng)用于商用車，這一發(fā)展路徑獲得業(yè)界廣泛認可，目前已有超過6000輛燃料電池商用車投入運行。

　　氫能在非道路運輸方面的應(yīng)用正在推廣。2018年，法國阿爾斯通集團生產(chǎn)的燃料電池列車在德國投入運營，英國、荷蘭等國也在積極發(fā)展氫動力列車。中國中車股份有限公司2019年在廣東佛山開始運行燃料電池有軌電車，同時開展氫燃料列車方案的探索研究。

　　家庭熱電聯(lián)供和工業(yè)應(yīng)用也增加了對低碳氫的需求。低碳工業(yè)對氫的需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵制造等行業(yè)，采用低碳氫替代高碳氫將是在短期內(nèi)擴大需求、減少溫室氣體排放的契機。國際上正進行低碳氫用于煉油、甲醇及氨生產(chǎn)的試驗。電解制氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模正在加快擴展，在無需對現(xiàn)有直接還原煉鋼爐進行重大改造的條件下，氫氣可替代35%的天然氣使用；還提出了氫氣與天然氣混合應(yīng)用的過渡性策略，以加快推進利用純氫直接還原煉鐵的進度，這對氫的儲運方式將產(chǎn)生重要的影響。

　?。ǘ淠墚a(chǎn)業(yè)規(guī)劃

　　歐盟規(guī)定了電解槽制氫響應(yīng)時間小于5s，目前只有PEM電解水技術(shù)可達到這一要求。因此，歐盟規(guī)劃了PEM電解水制氫來逐漸取代堿性水電解制氫的發(fā)展路徑[1]：2020年7月，歐盟委員會發(fā)布了涉及氫能的戰(zhàn)略規(guī)劃，重點發(fā)展利用風(fēng)能、太陽能等再生能源來生產(chǎn)可再生氫；2020—2024年，支持安裝超過6GW的可再生氫電解槽，產(chǎn)氫量達1.0×106t；2025—2030年，建設(shè)40GW的可再生氫電解槽，產(chǎn)氫量達1.0×107t；2030—2050年，可再生氫產(chǎn)業(yè)成熟，在眾多難以脫碳的行業(yè)（如航空、海運、貨運交通等）進行大規(guī)模應(yīng)用。此外，德國2020年頒布了《國家氫能戰(zhàn)略》，提出以可再生氫為重點，規(guī)劃布局德國綠氫制造。

　　美國既重提煤的高效利用，也積極推動氫能的研發(fā)與應(yīng)用。美國能源部（DOE）提出H2@Scale規(guī)劃，推進氫的規(guī)?；瘧?yīng)用。2019年，DOE大幅提高了對不同電解制氫材料與技術(shù)類研發(fā)項目的支持力度；2020年，在H2@Scale規(guī)劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開展PEM電解槽制造與規(guī)?；夹g(shù)研發(fā)，涉及吉瓦級PEM電解槽的析氧催化劑、電極、低成本PEM電解槽組件及放大工藝，資助金額均超過400萬美元。這表明，美國在制氫規(guī)?；矫嫫豍EM電解的技術(shù)路線。另外，DOE支持了氫冶金、氫與天然氣混合輸送等技術(shù)研發(fā)，為氫的規(guī)?；瘧?yīng)用作全面準備。

　?。ㄈ╇娊馑茪涞氖痉哆M展

　　在市場化進程方面，堿水電解（AWE）作為最為成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其是一些大型項目的應(yīng)用。AWE采用氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣，效率通常在70%~80%。一方面，AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、Co、Mn等），因而電解槽中的催化劑造價較低，但產(chǎn)氣中含堿液、水蒸氣等，需經(jīng)輔助設(shè)備除去；另一方面，AWE難以快速啟動或變載、無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。我國AWE裝置的安裝總量為1500~2000套，多數(shù)用于電廠冷卻用氫的制備，國產(chǎn)設(shè)備的最大產(chǎn)氫量為1000Nm³/h。國內(nèi)代表性企業(yè)有中國船舶集團有限公司第七一八研究所、蘇州競立制氫設(shè)備有限公司、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司等，代表性的制氫工程是河北建投新能源有限公司投資的沽源風(fēng)電制氫項目（4MW）。

　　由于PEM電解槽運行更加靈活、更適合可再生能源的波動性，許多新建項目開始轉(zhuǎn)向選擇PEM電解槽技術(shù)。過去數(shù)年，歐盟、美國、日本企業(yè)紛紛推出了PEM電解水制氫產(chǎn)品，促進了應(yīng)用推廣和規(guī)?；瘧?yīng)用，Proton Onsite、Hydrogenics、Giner、西門子股份公司等相繼將PEM電解槽規(guī)格規(guī)模提高到兆瓦級。其中，Proton Onsite公司的PEM水電解制氫裝置的部署量超過2000套（分布于72個國家和地區(qū)），擁有全球PEM水電解制氫70%的市場份額，具備集成10MW以上制氫系統(tǒng)的能力；Giner公司單個PEM電解槽規(guī)格達5MW，電流密度超過3A/cm²，50kW水電解池樣機的高壓運行累計時間超過1.5×10⁵h。

　　當(dāng)前，國際上在建的電解制氫項目規(guī)模增長顯著。2010年前后的多數(shù)電解制氫項目規(guī)模低于0.5MW，而2017—2019年的項目規(guī)?；緸?~5MW；日本2020年投產(chǎn)了10MW項目，加拿大正在建設(shè)20MW項目。德國可再生能源電解制氫的“PowertoGas”項目運行時間超過10a；2016年西門子股份公司參與建造的6MWPEM電解槽與風(fēng)電聯(lián)用電解制氫系統(tǒng)，年產(chǎn)氫氣200t，已于2018年實現(xiàn)盈利；2019年德國天然氣管網(wǎng)運營商OGE公司、Amprion公司聯(lián)合實施Hybridge100MW電解水制氫項目，計劃將現(xiàn)有的OGE管道更換為專用的氫氣管道。2019年，荷蘭啟動了PosHYdon項目，將集裝箱式制氫設(shè)備與荷蘭北海的電氣化油氣平臺相結(jié)合，探索海上風(fēng)電制氫的可行性。

　　三、電解水制氫技術(shù)分類

　　在技術(shù)層面，電解水制氫主要分為AWE、PEM水電解，固體聚合物陰離子交換膜（AEM）水電解、固體氧化物（SOE）水電解，相關(guān)特性對比見表1。其中，AWE是最早工業(yè)化的水電解技術(shù)，已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗，最為成熟；PEM電解水技術(shù)近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，SOE水電解技術(shù)處于初步示范階段，而AEM水電解研究剛起步。從時間尺度上看，AWE技術(shù)在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應(yīng)用；但從技術(shù)角度看，PEM電解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動性和隨機性較大）具有良好的匹配性。隨著PEM電解槽的推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降，必然是未來5~10a的發(fā)展趨勢。SOE、AEM水電解的發(fā)展則取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。

表1 4種水電解技術(shù)特性

　　四、PEM電解水制氫技術(shù)分析

　　PEM水電解槽采用PEM傳導(dǎo)質(zhì)子，隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免AWE使用強堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點。PEM水電解槽以PEM為電解質(zhì)，以純水為反應(yīng)物，加之PEM的氫氣滲透率較低，產(chǎn)生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣；電解槽采用零間距結(jié)構(gòu)，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調(diào)控范圍大，氫氣輸出壓力可達數(shù)兆帕，適應(yīng)快速變化的可再生能源電力輸入。因此，PEM電解水制氫是極具發(fā)展前景的綠色制氫技術(shù)路徑。

　　也要注意到，PEM水電解制氫的瓶頸環(huán)節(jié)在于成本和壽命。電解槽成本中，雙極板約占48%，膜電極約占10%。當(dāng)前PEM國際先進水平為：單電池性能為2A·cm^-2@2V[2]，總鉑系催化劑載量為2~3mg/cm²，穩(wěn)定運行時間為6×10⁴~8×10⁴h，制氫成本約為每千克氫氣3.7美元[3]。降低PEM電解槽成本的研究集中在以催化劑、PEM為基礎(chǔ)材料的膜電極，氣體擴散層，雙極板等核心組件。

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　　由于PEM電解槽的陽極處于強酸性環(huán)境（pH≈2）、電解電壓為1.4~2.0V，多數(shù)非貴金屬會腐蝕并可能與PEM中的磺酸根離子結(jié)合，進而降低PEM傳導(dǎo)質(zhì)子的能力。PEM電解槽的電催化劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以鈦材料為載體的負載型催化劑。

　　按照技術(shù)規(guī)劃目標[4]，膜電極上的鉑族催化劑總負載量應(yīng)降低到0.125mg/cm²，而當(dāng)前的陽極銥催化劑載量在1mg/cm²量級，陰極Pt/C催化劑的Pt載量約為0.4~0.6mg/cm²。意大利研究團隊[5]制備的Ir_0.7Ru_0.3O_x催化劑在陽極催化劑總載量為1.5mg/cm²時，電解池性能可達3.2A·cm^-2@1.85V。Giner公司研究團隊[6]制備出的Ir_0.38/W_xTi_1-xO₂催化劑在Ir載量為0.4mg/cm²時的全電池性能達到2A·cm^-2@1.75V，Ir用量僅為傳統(tǒng)電極的1/5。

　　Ru的電催化析氧活性高于Ir，但穩(wěn)定性差；通過與Ir形成穩(wěn)定合金可提高催化劑的活性與穩(wěn)定性。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的Ir0.6Sn0.4催化劑，在全電解池測試中的性能為2A·cm^-2@1.82V；IrSn可形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)，與Sn形成合金的過程提高了Ir的分散性，有助于降低Ir載量。

　　美國可再生能源國家實驗室、Giner公司合作研發(fā)了多種金屬有機框架（MOF）材料催化劑，價格僅為傳統(tǒng)催化劑的1/20[7]，其中Co-MOFG-O催化劑在0.01A/cm²下的過電位為1.644V(vs.RHE)，在半電池衰減實驗中的性能優(yōu)于傳統(tǒng)Ir催化劑，但尚未開展全電池測試。

　　受限于PEM水電解制氫的酸性環(huán)境、陽極高電位、良好導(dǎo)電性等要求，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大，預(yù)計一定時期內(nèi)實際用于大規(guī)模電解槽的催化劑仍以Ir為主。未來降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發(fā)超低載量或有序化膜電極。

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　　在PEM方面，目前常用的產(chǎn)品有杜邦公司Nafion系列膜、陶氏化學(xué)Dow系列膜、旭硝子株式會社Flemion系列膜、旭化成株式會社Aciplex-S系列膜、德山化學(xué)公司Neosepta-F等。Giner公司研發(fā)的DSMTM膜[8]已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，相比Nafion膜具有更好的機械性能、更薄的厚度，在功率波動與啟停機過程中的尺寸穩(wěn)定性良好，實際電解池的應(yīng)用性能較優(yōu)。

　　為進一步提高PEM性能并降低成本，一方面可采用增強復(fù)合的方案改善PEM的機械性能，有利于降低膜的厚度；另一方面，可通過提高成膜的離子傳導(dǎo)率來降低膜阻和電解能耗，有利于提高電解槽的整體性能。國產(chǎn)PEM產(chǎn)品進入了試用階段。

　　（三）膜電極

　　PEM電解水的陽極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕，應(yīng)具有合適的孔洞結(jié)構(gòu)以便氣體和水通過。受限于PEM電解水的反應(yīng)條件，PEM燃料電池中常用的膜電極材料（如碳材料）無法用于水電解陽極。3M公司研發(fā)了納米結(jié)構(gòu)薄膜（NSTF）電極[8]，陰陽兩極分別采用Ir、Pt催化劑，載量均為0.25mg/cm²；在酸性環(huán)境及高電位條件下可以穩(wěn)定工作，表面的棒狀陣列結(jié)構(gòu)有利于提高催化劑的表面分散性。Proton公司采用直接噴霧沉積法來減少催化劑團聚現(xiàn)象[9]，將載量0.1mg/cm²的Pt/C和Ir，載量0.1mg/cm²的IrO₂沉積在Nafion117膜上；單電解池的應(yīng)用性能與傳統(tǒng)高催化劑載量電解池相似（1.8A·cm^-2@2V），在2.3V電壓下穩(wěn)定工作500h。

　　改善集流器的性能也可提高電解槽性能。美國田納西大學(xué)研究團隊[10]在鈦薄片上用模板輔助的化學(xué)刻蝕法制備出直徑小于1mm的小孔，陽極集流器的厚度僅為25.4μm；相關(guān)集流器用于PEM水電解陰極，電解性能為2A·cm^-2@1.845V，陰極Pt催化劑載量僅為0.086m/cm2。

　?。ㄋ模╇p極板

　　雙極板及流場占電解槽成本的比重較大，降低雙極板成本是控制電解槽成本的關(guān)鍵。在PEM電解槽陽極嚴苛的工作環(huán)境下，若雙極板被腐蝕將會導(dǎo)致金屬離子浸出，進而污染PEM，因此常用的雙極板保護措施是在表面制備一層防腐涂層。Lettenmeier等[11]在不銹鋼雙極板上用真空等離子噴涂方式制備Ti層以防止腐蝕，再用磁控濺射方式制備Pt層以防止Ti氧化引起的導(dǎo)電性降低；進一步研究發(fā)現(xiàn)，將Pt涂層換成價格更低的Nb涂層，可維持相似的電解池性能，且電解池可穩(wěn)定運行超過1000h[12]。美國田納西大學(xué)研究團隊[13]采用增材制造技術(shù)，在陰極雙極板上制作出厚度為1mm的不銹鋼材料流場，在上面直接沉積一層厚度為0.15mm的網(wǎng)狀氣體擴散層；該單電池陰極阻抗極小，電池性能高達2A·cm^-2@1.715V，但仍需要表面鍍金[14]以提高穩(wěn)定性。此外，美國橡樹嶺國家實驗室、韓國科學(xué)技術(shù)研究院等機構(gòu)也開展了系列化的PEM電解槽用雙極板研發(fā)工作[15,16]。

　?。ㄎ澹╇娊獠鄯€(wěn)定性

　　2003年，Proton公司[8]完成了PEM電解槽持續(xù)運行試驗（>6×10⁴h），衰減速率僅為4μV/h。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織提出的2030年技術(shù)目標[17]，要求電解槽壽命達到9×10⁴h，持續(xù)工作狀態(tài)下的衰減速率穩(wěn)定在0.4~15μV/h。許多研究團隊著力探索PEM電解槽中各部件的衰減機理，發(fā)現(xiàn)催化劑和膜的脫落、水流量變化、供水管路腐蝕等會導(dǎo)致歐姆阻抗提高，膜電極結(jié)構(gòu)被破壞后會誘發(fā)兩側(cè)氣體滲透并造成氫氣純度降低，溫度/壓力變化、電流密度和功率負載循環(huán)也會影響部件衰減速率。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所[18]對PEM電解槽進行了7800h衰減測試，發(fā)現(xiàn)污染主要來自于水源和單元組件的金屬離子；完成了供水量、電流密度變化對PEM電解槽性能的影響分析。法國研究人員[19]建立了46kW電解槽模型，預(yù)測了功率波動工況下的工作情況，在溫度較高、壓力較低時，電解槽效率達到最高并可更好適應(yīng)功率波動。

　　在推廣應(yīng)用層面，我國PEM電解水制氫技術(shù)正在經(jīng)歷從實驗室研發(fā)向市場化、規(guī)?；瘧?yīng)用的階段變化，逐步開展示范工程建設(shè)，如國網(wǎng)安徽省電力有限公司的兆瓦級氫能示范工程將于2021年年底建成投產(chǎn)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、陽光電源股份有限公司共同建立的PEM電解水制氫聯(lián)合實驗室，針對PEM電解水技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題，如廉價催化劑的活性與穩(wěn)定性、膜滲透性、膜電極結(jié)構(gòu)等開展研究攻關(guān)；針對雙極板、擴散層等，發(fā)展高電流密度與高電壓條件下的廉價抗腐蝕鍍層技術(shù)，著力提高電解效率、降低綜合成本。

　　五、氫儲運與電解制氫

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　　氫利用的重要前提是將氫的綠色制取與終端用戶通過安全可靠、經(jīng)濟便捷的方式聯(lián)系起來，這就需要解決氫的儲運問題。氫的儲運方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機化合物儲運氫、管道輸氫等，其中高壓儲氫、液氫、管道輸氫均需加壓氫氣，因而具有較高壓力的PEM電解制氫具有與儲氫需求匹配的天然優(yōu)勢。

　　高壓儲運氫是中小量用氫的常用方法，在200km距離以內(nèi)，單輛魚雷車每天可運輸10t氫，包括壓縮、存儲設(shè)備折舊費用在內(nèi)的綜合運費約為2元/kg。材料儲氫安全性好，但儲氫容量低（1%~2%），僅適合原地儲氫；若用于運輸，運輸費用明顯過高。有機化合物儲運氫的儲氫量可達5%~6%，運輸要求與液體燃料類似，到達目的地后需應(yīng)用脫氫設(shè)備進行脫氫處理，脫氫溫度約為200℃。日本計劃采用甲苯與甲基環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化過程來進行氫儲運，從澳大利亞向本土運氫。

　　利用現(xiàn)有的天然氣管道，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送；在用氫端，從管道提取天然氣/氫氣混合氣，進行重整制氫，這是快速儲運氫的新方向。PEM電解水制氫的產(chǎn)氫壓力通常大于3.5MPa，很容易提升至4MPa，因而PEM電解生產(chǎn)的氫氣無需額外的加壓過程即可直接注入天然氣管網(wǎng)。德國已有天然氣管網(wǎng)20%混氫的工程案例[20]。法國GRHYD項目在2018年開始向天然氣管網(wǎng)注入含氫氣（摻混率為6%）的天然氣，2019年氫氣摻混率達到20%。英國在HyDeploy項目中實施了零碳制氫，2020年向天然氣管網(wǎng)注入氫氣（摻混率為20%），驗證了電解制氫注入氣體管網(wǎng)的技術(shù)可行性。更為理想的情況是新建純氫管道，歐洲多國啟動了輸送純氫管網(wǎng)的初步規(guī)劃論證，但開工建設(shè)尚需時日。

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　　我國西北地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源豐富，西南地區(qū)的水電資源豐富，需要將相應(yīng)電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區(qū)。我國海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國、德國之后的世界第三大海上風(fēng)電國家，快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。利用這些可再生能源電力，通過PEM水電解方式獲得綠氫，將氫通過油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國各地，這為氫的長距離輸送、氫能可持續(xù)發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。適時在管理層面建立PEM電解水制氫、輸氫的規(guī)范和標準，保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。

　　六、結(jié)語

　　氫氣在儲能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。堅持氫能綠色利用的初衷，積極發(fā)展以PEM電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù)，實現(xiàn)與可再生能源的融合發(fā)展。

　　PEM電解水制氫技術(shù)具有運行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高、適應(yīng)可再生能源發(fā)電波動、占地緊湊的特點，具備了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的基礎(chǔ)條件。為此建議：從電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料與部件方面入手，通過產(chǎn)能提升和技術(shù)進步來壓降成本，進而支持PEM電解制氫綜合成本的穩(wěn)步下降；改善催化劑活性，提高催化劑利用率，有效降低貴金屬用量；研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結(jié)構(gòu)，進一步提高PEM電解的運行電流密度；提升雙極板的材料性能與表面工藝，在降低成本的同時提高耐蝕性能。

　　隨著我國風(fēng)、光、水等可再生能源的快速發(fā)展，預(yù)計電解水制氫技術(shù)與應(yīng)用將進入穩(wěn)步上升期。為此建議：結(jié)合西北、西南、東北、沿海等地區(qū)可再生能源豐富的天然稟賦，加大利用可再生能源來進行PEM電解水制氫的示范力度；結(jié)合商業(yè)化推廣，全面降低PEM電解水制氫的成本，適應(yīng)可再生能源規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢；在西北、西南、東北、沿海等地區(qū)進行大規(guī)模的電解水制氫裝備應(yīng)用，將高壓氫摻混后送入天然氣管網(wǎng)，用氫地區(qū)則從天然氣管道中取氫；天然氣中的氫濃度為5%~20%時用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于5%時采用混合氣重整制氫方法，由此既不增加CO₂排放，也具有長距離輸氫的技術(shù)可實現(xiàn)性。

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