研究背景

在碳中和愿景下，低碳清潔氫發展已成為全球共識，電解水制氫技術成為美國、歐洲與日本等發達國家和地區布局的重要戰略方向。

但我國電解水制氫產業發展面臨著瓶頸：

一方面，我國在電解水制氫關鍵技術方面與國外尚有差距，對國外當前技術水平差距缺乏量化對比分析，雖然堿性電解水制氫技術在我國歷史悠久，但在氫能成為全球能源革命戰略技術之前，電解水制氫技術僅少量應用在浮法玻璃、半導體等行業，主要作為保護氣使用，市場規模很小，導致該技術研發動力不足，整體性能仍有較大改進空間。美國、日本、歐洲等國已制定了電解水制氫技術攻關路線圖與關鍵技術指標發展目標，我國目前尚無電解水制氫技術路線的頂層規劃。

另一方面，電解水制氫技術還面臨氫氣成本較高的問題，成為現階段可再生氫大規模部署的主要障礙。

本文介紹了國外主要國家制定的電解水制氫技術路線圖，總結國外技術路線制定依據與攻關重點方向，進一步對標量化了國內外技術水平差距，并分析技術差距背后的材料、零部件等根本原因，在此基礎上提出我國電解水制氫技術路線圖。最后分析我國平準化低碳清潔氫成本結構，從技術攻關和產業模式等角度提出發展建議，為提升我國電解水制氫技術國際競爭力發展方向提供指導。

論文重點內容

1電解水制氫發展趨勢與關鍵技術分析

美日等發達國家均將電解水制氫技術視為未來的主流發展方向，聚焦堿性電解水（AE）制氫技術規模化和質子交換膜電解水（PEME）制氫技術產業化，制定技術發展路線圖，重點圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設備成本”三個關鍵降本性能指標推進整體技術研發。

總的來說，各國均對AE、PEME制氫技術同時進行技術開發。其中，AE方面，近期以優化提升制氫效率與裝置規模放大為主要目標進行技術攻關。PEME方面，歐美國家持續開展技術攻關，將其視為下一代主流電解水制氫技術，通過催化劑、隔膜、集電器、膜組件等核心材料及組件的研究及應用，來提高設備的電解效率和使用壽命，降低設備成本等。

同時，歐洲開展了電解水制氫裝備性能評價與劣化評價的研究，在電解水制氫技術發展中起到重要意義。日本在吸收美國與歐洲電解水制氫技術路線的基礎上，著力聚焦AE與PEME的技術開發，制定了最全面的技術目標。

圖1 電解水制氫成本結構與關鍵技術分析

2我國電解水技術發展對標

AE制氫技術：在設備成本方面，我國AE制氫設備成本優勢明顯，僅為國外價格的50%。在設備壽命方面，我國與國外設備的壽命目前均可達80,000h以上。在制氫效率與電流密度方面，目前我國工業用堿性電解槽的電解電流密度約為0.3A/[email protected]，歐美國家電解槽的電流密度0.4A/[email protected]左右。同一電流密度下電解槽制氫效率約有3%的差距。主要受制于隔膜、電極關鍵材料及電解槽結構設計的技術水平落后。

PEME制氫技術：設備成本方面， 國內外PEME制氫設備的成本均遠高于AE制氫設備。在設備壽命方面，國外PEME設備的壽命約為60,000h左右，我國尚缺乏驗證。在制氫效率方面，我國PEME制氫設備的電流密度約為1-1.2A/[email protected]，電解效率約為63%，而美國PEME制氫設備的電流密度已達1.5A/[email protected]，電解效率約為66%。

我國PEME制氫技術整體性能與國外差距較大主要原因在于關鍵基礎材料性能不足，質子交換膜等材料依賴進口，系統控制比如熱、氣管理技術缺乏經驗等。

圖2 電解水制氫技術對標與國產化情況

3我國電解水制氫技術路線

提出我國電解水制氫技術的攻關方向：高效、長壽命、低成本，并制定了近10年堿性和PEM電解水制氫技術在制氫效率、電流密度、壽命和系統成本方面的目標，提出了3大重點技術開發課題，以及建立綠氫標準與認證體系，電解水性能評價體系。

圖3 電解水制氫技術路線圖

4低碳清潔氫氣平準化價格研究

當前可再生能源電解水氫氣平準化成本在20-40元/kg，高成本制約了清潔氫的產業化。作為未來主流的制氫方式，電解水制氫成本主要取決于電解槽的投資成本、利用負荷以及度電成本。技術進步疊加規模化效應將持推動可再生能源發電成本、電解槽生產成本下降，有效促進低碳清潔氫的成本競爭性。

預計至2030年，光伏與風電新增裝機平均成本低于0.2元/kWh，可再生能源制氫成本將低于15元/kg，具備與煤制氫+CCUS相競爭的條件。到2050年后，可再生能源電解水制氫成本將低至11.63元/kgH2，不考慮碳稅情況下，已明顯低于化石能源+碳捕集與封存（CCS）制氫成本。

圖4 我國目前平準化低碳清潔氫成本

結論

1）電解水制氫技術方面，我國堿性電解水制氫技術在隔膜和電極國產化零部件技術水平較國外有差距，但設備成本優勢明顯。質子交換膜電解水制氫技術整體上落后于歐美，質子交換膜等核心原材料/部件依賴進口。

2）我國近10年應著力對AE和PEME制氫技術進行攻關，圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設備成本”三個關鍵降本性能指標推進整體技術研發。同時提出了3個主要技術開發課題：高效堿性水電解制氫技術，高效長壽命低成本MW級質子交換膜電解水制氫系統和P2G場景下高效、長壽命電解水制氫技術課題研究。

3）度電成本、運行負荷、制氫效率與設備成本是電解水制氫技術降本的關鍵因素。

4）電解水制氫技術的規模化需要國家引領、技術攻關、企業合作、產業協同等各方面協同推動。