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12月4日，美國能源部（DOE）發(fā)布《氫計劃：水電解技術評估》報告，詳細闡述通過電解技術降低清潔氫生產(chǎn)成本的途徑。該報告指出，電解技術有潛力實現(xiàn)DOE氫計劃（Hydrogen Shot?）的目標，即將清潔氫的生產(chǎn)成本降低至每公斤1美元。報告詳盡闡述了實現(xiàn)這一目標所必須采取的創(chuàng)新路徑與技術突破，包括制造能力提升、技術效率優(yōu)化以及綜合能源系統(tǒng)的改進。

具體來看，該報告分析了五種電解槽技術。其中，質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）商業(yè)化程度高，已用于大規(guī)模制氫；堿性電解槽（ALK）是最成熟的電解槽技術，已部署容量最大；氧離子傳導固體氧化物電解槽（O-SOEC）處于商業(yè)化初期，已在美國開始示范；陰離子交換膜電解槽（AEM）是一種有潛力的技術，但商業(yè)化程度低；質(zhì)子傳導固體氧化物電解槽（P-SOEC）是一種低溫替代O-SOEC的技術，但商業(yè)化程度低，仍在研發(fā)中。

報告使用2020年美元為基準，并主要關注制氫成本，不包括儲存等其他成本。三種商業(yè)化程度最高的電解槽技術的當前成本分別為：在使用電網(wǎng)電力時，PEM每千克氫氣成本為6.00-7.20美元，ALK每千克氫氣成本為5.00-5.50美元；在使用電網(wǎng)電力和天然氣供熱時，O-SOEC每千克氫氣的成本為7.00-8.00美元。

圖丨PEM電解槽系統(tǒng)和電堆成本結(jié)構(gòu)

（假設采用1兆瓦電堆、1兆瓦系統(tǒng)，年產(chǎn)能1吉瓦）

圖丨堿性電解槽系統(tǒng)和電堆成本結(jié)構(gòu)

（假設采用4兆瓦電堆、50兆瓦BOP模塊，年產(chǎn)能1吉瓦）

圖丨氧離子傳導固體氧化物電解槽系統(tǒng)和電堆結(jié)構(gòu)

（假設采用50千瓦堆棧、1吉瓦系統(tǒng)，年產(chǎn)能1吉瓦）

報告指出，為了實現(xiàn)美國能源部提出的“111”計劃目標，需要通過技術進步、制造規(guī)模化、清潔能源系統(tǒng)集成以及其他方面的努力，大幅降低清潔氫氣的生產(chǎn)成本，使其成為未來清潔能源體系的重要組成部分。

技術進步

降低材料和設備成本

PEM電解槽：重點關注降低貴金屬催化劑（鉑和銥）的負載量，開發(fā)更薄、性能更優(yōu)異的膜材料，以及采用更經(jīng)濟的雙極板和多孔傳輸層材料。ALK電解槽：研發(fā)新型隔膜材料和高活性、高利用率的非貴金屬催化劑。探索新的電池和電堆設計，以提高電流密度并降低歐姆電阻。O-SOEC電解槽：開發(fā)低成本的互連材料和制造工藝，并探索降低操作溫度以減少熱管理成本。AEM電解槽：開發(fā)高導電率、耐用且穩(wěn)定的陰離子交換膜和離聚物，以及高活性、高利用率和耐用的非貴金屬電極。P-SOEC：開發(fā)穩(wěn)定、高效且機械強度高的電解質(zhì)材料，并改進氧電極性能。

提高效率和性能

所有電解槽技術：提高電解槽的能量轉(zhuǎn)換效率，以減少單位氫氣生產(chǎn)所需的電力消耗。PEM電解槽：優(yōu)化多孔傳輸層設計，以提高傳質(zhì)效率。ALK電解槽：改進電池設計和組件集成策略，優(yōu)化氣泡管理，以降低歐姆電阻。O-SOEC和P-SOEC：提高熱集成水平，以利用外部熱源并提高系統(tǒng)整體效率。

延長使用壽命

所有電解槽技術：提高電解槽的耐用性和使用壽命，以降低維護和更換成本。PEM電解槽：開發(fā)加速應力測試，以快速評估材料和組件的耐用性。優(yōu)化膜/催化劑層/多孔傳輸層界面，以提高穩(wěn)定性和抗降解能力。ALK電解槽：探索新的電池設計和材料，以提高在動態(tài)操作條件下的耐用性。O-SOEC：降低操作溫度，減少電極污染和互連材料的降解。開發(fā)加速應力測試，以識別提高壽命的機會。AEM電解槽：研究支持電解質(zhì)的作用和降解機制，探索消除電解質(zhì)的可能性。P-SOEC：開發(fā)耐高溫、高濕和氧化還原環(huán)境的電解質(zhì)材料。

制造規(guī)模化和經(jīng)濟效益

擴大制造能力

大幅提升所有電解槽技術的制造規(guī)模，以降低制造成本并實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。

改進制造工藝

所有電解槽技術：采用自動化制造工藝，提高生產(chǎn)線速度，實施嚴格的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，以提高生產(chǎn)效率并降低制造成本。PEM電解槽：推廣卷對卷制造技術，以快速生產(chǎn)催化劑涂層膜和基材。ALK電解槽：開發(fā)或驗證零間隙和新興電池設計的制造技術，以縮短加工時間。O-SOEC：減少燒結(jié)和互連材料加工的熱處理步驟，并以連續(xù)工藝替代批處理工藝。

清潔能源系統(tǒng)集成

與可再生能源直接耦合

所有電解槽技術：將電解槽直接連接到風能、太陽能、水力發(fā)電和地熱能等可再生能源，以利用低成本的現(xiàn)場電力。PEM電解槽和ALK電解槽：針對可再生能源的波動性和間歇性，開發(fā)和優(yōu)化電解槽的動態(tài)運行能力，例如快速響應負載變化和啟動/停止循環(huán)。

與核能集成

O-SOEC和P-SOEC：將電解槽與核電站集成，可以利用核能產(chǎn)生的高溫熱量來提高效率并降低成本。開發(fā)和優(yōu)化電解槽的熱集成系統(tǒng)設計，以最大限度地利用核能的熱能。

優(yōu)化運行策略

所有電解槽技術：開發(fā)混合能源系統(tǒng)，結(jié)合多種清潔能源和儲能系統(tǒng)，以提高電解槽的容量系數(shù)。PEM電解槽、ALK電解槽和O-SOEC：優(yōu)化運行策略，例如在電力價格低廉時增加制氫量，在電力需求高峰時減少制氫量，以降低運營成本。

其他研發(fā)方向

降低「軟成本」

除了硬件和運營成本外，還需要關注與電解槽部署、安裝和整體能源系統(tǒng)集成相關的“軟成本”，例如場地準備、土地、許可證、調(diào)試和運輸?shù)取Ｍㄟ^優(yōu)化系統(tǒng)設計、模塊化和標準化組件以及簡化安裝流程，可以降低這些成本。

生命周期分析

對不同電解槽技術進行全面的生命周期分析，以評估其環(huán)境影響，包括溫室氣體排放、水消耗和其他環(huán)境問題。這將有助于確定最可持續(xù)的制氫技術路線。圖片

圖文來源于中國氫能聯(lián)盟及網(wǎng)絡等公開渠道