化石能源的消耗、生态环境的不断恶化，导致大力开发和利用可再生清洁能源解决当前的能源危机成为当务之急。然而可再生能源因其本身具有不均匀性、间断特性，导致它的利用率和占比低。水电解制氢技术已相当成熟，尤其是基于 PEM 电解水制氢系统的响应速度快，适应动态操作的特点，适合于可再生能源消纳制氢，将制取的氢气作为燃料应用在工业 P2G 中，是近年来氢储能和能源循环的发展思路。
1 绪论
1.1 我国可再生能源电力的消纳问题
自 18 世纪工业革命以来，煤、石油、天然气这些传统的化石能源是人类发展中最主要的一次能源，然而随着化石能源的不断消耗，资源的不断短缺以及由此带来的全球变暖、生态气候环境不断恶化的今天，可再生清洁能源的大力开发和利用已经成为解决能源危机的当务之急。我国幅员辽阔，既有西北部的风能，又有东部沿海的水电能，但因其本身具有不均匀性、间断特性，这就会对并网输送时电网带来冲击，引起电网的波动和不安全。这些电能不能实现并网，因此造成了可再生能源的大量浪费，出现大量的“弃水、弃风、弃光”。
1.2 氢能源的优势
储能技术在可再生能源能被有效利用和大力开发过程中扮演着重要角色。在众多的储能技术中，氢能和氢储能具有明显优势。作为可再生二次能源的氢能具有以下优点:①能量密度高，其能量密度可达 142，351kJ/kg，是除核燃料外能量密度最高的燃料，且其燃烧发热值约是汽油的 3 倍。②可循环性，氢气化学反应后的产物只有清洁的水，因此具有可循环性。③清洁性，与其他固液燃料相比较，氢气的反应产物很单一，只有纯水，没有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等污染环境的气体。④氢能的普遍性，由于它的反应产物水广泛存在于自然界，再加上氢气具有可循环性，因此获取氢气无资源壁垒问题。
此外，对于那些不均匀性、间断特性的大量“弃水、弃风、弃光”，氢气是一种理想的能量储存介质，氢气作为能源载体的优势在于:①氢能和电能之间可以通过中间环节电解水技术实现两者的相互联系;②氢气也可以被压缩储存，甚至可以成为液氢，具有很高的能量密度;③氢气可以成比例放大应用到电网。
1.3 氢能发展现状及意义
大力发展氢能产业，不仅将颠覆传统的化石能源行业，而且对于交通运输方面也将大大改观，比如: 氢能燃料电池汽车，它既没有碳排放，环保清洁，而且续航能力强，反应产物只有水。这对国民经济的发展有着重大作用，可使我国经济的发展从数量增长型转变为质量增长型。
氢能源汽车市场规模:2025 年可达 500 亿元。氢能源汽车产量:2025 年预计超过 5 万辆。我国现拥有丰富的低成本的氢气资源，中国约有 300 万吨副产氢和工业制氢可用作动力氢直接使用，无需新增投。并且弃电可制得约 170 万吨氢气，可供应数百万辆燃料电池车辆使用。并且政府明确支持氢能产业发展，给予了大力补贴。
同时一次能源的现状为，2017 年我国石油对外依存度为 68.85%，天然气对外依存度为 38.77%，且进口量逐年增长。氢能作为可再生的二次清洁能源，如果能够得到有效的大力开发和利用，就可以优化我国的能源结构，成为未来能源转换的中心支柱。全球多数国家高度重视氢能源的发展，如美国、日本、德国甚至将发展氢能源提升到国家战略高度，不断加大对氢能源和燃料电池研发及产业化的扶持力度。我国具有丰富的氢能源供给经验和产业基础，每年的风电、光伏、水电等可再生能源用于电解水制氢的约有 200 万吨，在未来的发展中有望成为中国氢能源供给的主要来源。
2 水电解制氢技术
2.1 制氢技术
目前主流的制氢技术分为一次不可再生能源制氢、水电解制氢、太阳能光解制氢等方式。我国工业用氢绝大部分是通过化石燃料制氢的方式获得的，然而一次不可再生能源有限，且反应过程中会有污染环境的杂质气体，因此它是一种不可持续发展的技术。
电解水制氢技术已相当成熟，工艺简单，制取的氢气和氧气纯度高，其优点有:①工艺流程简单;②制氢过程不仅环保，而且反应产物氢气纯度高，最重要的是这种制氢方式没有有害杂质气体的排放;③消耗电力较大，可以考虑将可再生能源用于发电制氢;④基于制氢设备启动快，响应迅速，且运行负载范围较宽，可以较好地适应和匹配可再生能源电力的波动性。而且由于电解水制氢技术本身耗电量较大，平均每产生 1 立标方氢气要消耗 5 度电能，制氢成本较高，故而未大规模使用。然而可以利用上述的大量“弃水、弃风、弃光”用于发电来制取清洁的二次能源氢气，这样的制氢方式不仅提高了可再生能源的利用率和占比，而且降低了制氢成本。
2.2 水电解制氢技术的发展
水电解制氢的原理是在制氢设备中通入稳定的直流电，纯水在直流电的作用下，在电解小室的阴极侧产生氢气，在电解小室的阳极侧产生氧气。发展至今，主要有三种不同类型的水电解制氢设备: 碱性电解，聚合物薄膜电解以及固体氧化物电解。其中碱性电解是技术最为成熟，市场占有率最大且使用时间最长，易于操作; 固体氧化物电解的制造工艺比较复杂，材料和寿命均处于实验研发阶段，还未大规模应用在工程实际中; 聚合物薄膜电解槽 (Protonexchangemembrane) 也称质子交换膜电解，它将传统碱性电解槽中的隔膜和电解质替换为全氟磺酸型质子交换膜，质子交换膜的两侧是催化剂构成的多孔电极，它的导电原理与碱性的液体导电原理有着根本的不同，是靠氢离子的定向移动来实现的，而氢离子的移动是依靠固定在膜网络上的磺酸根离子来实现的。膜电极组件 (membraneelectrodeassembly，MEA) 是 PEM 电解槽运行过程中电能转换为化学能的场所，是 PEM 电解池的“心脏”。
2.3 PEM 水电解制氢与传统碱性水电解制氢的对比
纯水 PEM 制氢相比于传统碱性水电解制氢有以下优点:①两级室的分隔物不同，PEM 型的分隔物是分子级微孔的离子膜，厚度很小，它不易产生氢反渗透; 然而传统碱性的隔膜不是分子级微孔，故易产生氢反渗透。②两者的电极不同，PEM 型的催化电极属于分子级微孔，紧贴于离子膜两边及其内部孔道间，是一种零极距催化电极，它的优点是反应面积大，转换效率高; 而传统碱性的电极间有最小距离限制，极间电阻大，导致电流变大，发热量高，转换效率低。③两者的电解槽结构不同，PEM 型的电解槽内两级室的集电器结构紧密且有弹性，从而使得电解槽重量轻、体积小，重量仅是相同产氢量的普通电解槽的 1 /3，优点是零极距，槽内阻小; 而传统碱性电解槽内极室的集电器没有弹性，从而电能热损失高，转换效率低。④两者的电解液不同，PEM 型只需要纯水，不需任何添加物，没有腐蚀性液体，从而对坏境无污染，同时气体纯度也高; 而传统碱性电解液中需要添加 15%NaOH 或 30%KOH，因此电解液腐蚀性强，易产生冲液污染负载管路。⑤两者电解槽内的电传导方式不同，PEM 型中氢离子是在具有活性的质子交换膜中移动，从而在阴极产生还原氢气; 而传统碱性是正、负离子在水溶液中分别运动，从而在两级产生氢氧气体。
此外，PEM 水电解技术被誉为制氢领域极具发展前景的水电解制氢技术之一，它与传统碱性水电解制氢相比，除有以上优点外，还具有气体输出压力高，纯度好。并且电流密度大，电推小型化，便于集成，系统简单，不需要那么多的辅助设备，所以安装简单，维护少、易于操作。同时，PEM 电解水制氢的系统响应速度快，适应动态操作，这非常适用于可再生能源如风能、太阳能输电的不均匀性、间歇性。而传统碱性水电解的响应速度比较慢，不如 PEM 电解水制氢技术的动态响应。
3 PEM 水电解技术与可再生能源的结合
我国可再生能源资源丰富，例如我国北部的风能资源以及东南部沿海的水能资源，基于 PEM 电解水制氢系统的响应速度快，适应动态操作的特点，可以利用上述的“弃水、弃风、弃光”等可再生能源消纳制氢，将制取的氢气作为可再生的二次能源或是燃料应用在工业 P2G 中，是近年来氢储能和能源循坏的发展思路。氢储能技术已被认为是解决“弃水、弃风、弃光”问题的最有效途径，目前国内外已进行了广泛研究，并在部分地区建成了示范运行项目。例如在挪威的优特西拉岛就有一个风能和氢能相互转换的著名案例，那是在当地建设了一套风力发电和氢气储能发电相结合的供电系统。当岛上的风力较大，风能电力过剩时，可以通过水电解技术来制取氢气并储存起来，当风力较小时，氢气则会通过燃料电池产生需要的电力，从而保证岛上居民的正常用电。
4 可再生能源制氢技术展望利用
可再生能源制氢，结合氢能源燃料电池技术发电，形成可持续能源发展的理念，这样的可循环能源发展思路非常适合我国国土辽阔，可再生能源丰富但不均匀的国家。针对于那些不能并网使用的“弃水、弃风、弃光”，利用这些可再生能源发电制取氢气不仅降低了直接的经济损失，同时对于推动可循环能源利用、氢能源的开发利用具有重要意义。2019 年日本 G20 期间，国际能源署 IEA 发表了氢能报告，指出: 今日的氢能与以往有所不同，将以前所未有的势头蓬勃发展，各国要抓住机遇发展氢能。我国具有丰富的氢能供给经验和产业基础，应用市场潜力巨大，不断实施顶层规划，明确氢能作为能源产品的相关法规体系，持续完善氢能管理相关的法律法规体系，不断推动可再生能源产业健康发展、优化能源结构。随着全球氢能源的发展，相信早日能够实现可持续能源发展。
日期：2021 年 04 月 来源：《山东化工》
