中国氢能联盟研究团队：碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析

电解水制氢是实现我国碳中和目标的重要技术之一，通过制定我国电解水制氢技术路线图，为提升我国电解水制氢技术国际竞争力发展方向提供指导。

团队介绍

刘玮

国华能源投资公司副总经理，中国氢能联盟秘书长，博士，研究方向为氢能、风电及光伏技术开发与管理。

万燕鸣

国华能源投资公司氢能联盟秘书处总经理，博士，研究方向为能源经济、氢能与燃料电池产业研究。

熊亚林

国华能源投资公司，博士，研究方向为氢能与燃料电池产业与技术研究。

研究背景

在碳中和愿景下，低碳清洁氢发展已成为全球共识，电解水制氢技术成为美国、欧洲与日本等发达国家和地区布局的重要战略方向。

但我国电解水制氢产业发展面临着瓶颈：

一方面，我国在电解水制氢关键技术方面与国外尚有差距，对国外当前技术水平差距缺乏量化对比分析，虽然碱性电解水制氢技术在我国历史悠久，但在氢能成为全球能源革命战略技术之前，电解水制氢技术仅少量应用在浮法玻璃、半导体等行业，主要作为保护气使用，市场规模很小，导致该技术研发动力不足，整体性能仍有较大改进空间。美国、日本、欧洲等国已制定了电解水制氢技术攻关路线图与关键技术指标发展目标，我国目前尚无电解水制氢技术路线的顶层规划。

另一方面，电解水制氢技术还面临氢气成本较高的问题，成为现阶段可再生氢大规模部署的主要障碍。

本文介绍了国外主要国家制定的电解水制氢技术路线图，总结国外技术路线制定依据与攻关重点方向，进一步对标量化了国内外技术水平差距，并分析技术差距背后的材料、零部件等根本原因，在此基础上提出我国电解水制氢技术路线图。最后分析我国平准化低碳清洁氢成本结构，从技术攻关和产业模式等角度提出发展建议，为提升我国电解水制氢技术国际竞争力发展方向提供指导。

论文重点内容

电解水制氢发展趋势与关键技术分析

美日等发达国家均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向，聚焦碱性电解水（AE）制氢技术规模化和质子交换膜电解水（PEME）制氢技术产业化，制定技术发展路线图，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本”三个关键降本性能指标推进整体技术研发。

总的来说，各国均对AE、PEME制氢技术同时进行技术开发。其中，AE方面，近期以优化提升制氢效率与装置规模放大为主要目标进行技术攻关。PEME方面，欧美国家持续开展技术攻关，将其视为下一代主流电解水制氢技术，通过催化剂、隔膜、集电器、膜组件等核心材料及组件的研究及应用，来提高设备的电解效率和使用寿命，降低设备成本等。

同时，欧洲开展了电解水制氢装备性能评价与劣化评价的研究，在电解水制氢技术发展中起到重要意义。日本在吸收美国与欧洲电解水制氢技术路线的基础上，着力聚焦AE与PEME的技术开发，制定了最全面的技术目标。

图1 电解水制氢成本结构与关键技术分析

我国电解水技术发展对标

AE制氢技术：在设备成本方面，我国AE制氢设备成本优势明显，仅为国外价格的50%。在设备寿命方面，我国与国外设备的寿命目前均可达80,000h以上。在制氢效率与电流密度方面，目前我国工业用碱性电解槽的电解电流密度约为0.3A/cm2@1.84V，欧美国家电解槽的电流密度0.4A/cm2@1.8V左右。同一电流密度下电解槽制氢效率约有3%的差距。主要受制于隔膜、电极关键材料及电解槽结构设计的技术水平落后。

PEME制氢技术：设备成本方面，国内外PEME制氢设备的成本均远高于AE制氢设备。在设备寿命方面，国外PEME设备的寿命约为60,000h左右，我国尚缺乏验证。在制氢效率方面，我国PEME制氢设备的电流密度约为1-1.2A/cm2@1.92V，电解效率约为63%，而美国PEME制氢设备的电流密度已达1.5A/cm2@1.92V，电解效率约为66%。

我国PEME制氢技术整体性能与国外差距较大主要原因在于关键基础材料性能不足，质子交换膜等材料依赖进口，系统控制比如热、气管理技术缺乏经验等。

图2 电解水制氢技术对标与国产化情况

我国电解水制氢技术路线

提出我国电解水制氢技术的攻关方向：高效、长寿命、低成本，并制定了近10年碱性和PEM电解水制氢技术在制氢效率、电流密度、寿命和系统成本方面的目标，提出了3大重点技术开发课题，以及建立绿氢标准与认证体系，电解水性能评价体系。

图3 电解水制氢技术路线图

低碳清洁氢气平准化价格研究

当前可再生能源电解水氢气平准化成本在20-40元/kg，高成本制约了清洁氢的产业化。作为未来主流的制氢方式，电解水制氢成本主要取决于电解槽的投资成本、利用负荷以及度电成本。技术进步叠加规模化效应将持推动可再生能源发电成本、电解槽生产成本下降，有效促进低碳清洁氢的成本竞争性。

预计至2030年，光伏与风电新增装机平均成本低于0.2元/kWh，可再生能源制氢成本将低于15元/kg，具备与煤制氢+CCUS相竞争的条件。到2050年后，可再生能源电解水制氢成本将低至11.63元/kgH2，不考虑碳税情况下，已明显低于化石能源+碳捕集与封存（CCS）制氢成本。

图4 我国目前平准化低碳清洁氢成本

结论

1）电解水制氢技术方面，我国碱性电解水制氢技术在隔膜和电极国产化零部件技术水平较国外有差距，但设备成本优势明显。质子交换膜电解水制氢技术整体上落后于欧美，质子交换膜等核心原材料/部件依赖进口。
2）我国近10年应着力对AE和PEME制氢技术进行攻关，围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本”三个关键降本性能指标推进整体技术研发。同时提出了3个主要技术开发课题：高效碱性水电解制氢技术，高效长寿命低成本MW级质子交换膜电解水制氢系统和P2G场景下高效、长寿命电解水制氢技术课题研究。
3）度电成本、运行负荷、制氢效率与设备成本是电解水制氢技术降本的关键因素。
4）电解水制氢技术的规模化需要国家引领、技术攻关、企业合作、产业协同等各方面协同推动。

引用本文

刘玮, 万燕鸣, 熊亚林, 陶志杰, 朱艳兵. 碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析[J]. 电工技术学报, 2022, 37(11): 2888-2896. Liu Wei, Wan Yanming, Xiong Yalin, Tao Zhijie, Zhu Yanbing. Key Technology of Water Electrolysis and Levelized Cost of Hydrogen Analysis under Carbon Neutral Vision. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(11): 2888-2896.

【原】中国氢能联盟研究团队：碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析