1研究背景

隨著全球氣候問題日益嚴峻，世界上越來越多的國家意識到為了人類賴以生存的家園必須處理好氣候變暖問題。氫能由于其無污染、單位質量高、能量密度高、可儲存性好而成為世界上發展新型能源的首選;具有可再生性和廣泛來源的特性。現階段，世界氫能需求量僅為七千萬噸/年，在以后的5年時間內，估計其數量將會以年均4%～5%的速率上升。據國際能源署預判，截止2025年全球精制工業、運輸業、建筑、人造能源工業對氫的需求將分別增至3500萬噸、200萬噸、330萬噸和1億噸。另外，據世界氫能理事會預測，到2030年，世界上的氫氣生產將達到1．1億萬噸，比2020年提高了64個百分點;并且預測到2030年，將會在全球范圍內投入500億美元以上的資金。據預測，2050年，氫能將占全國總能耗的十分之一，逐步替代汽油、柴油，推動第三次能源變革。

當前我國以天然氣和煤炭為原料生產氫氣為主，生產過程中會有大量CO2產生，屬于“灰氫”，在“雙碳”的大環境下，“綠氫”是當前業內公認的發展趨勢，也就是在生產氫氣時不會產生CO2。現在“綠氫”技術的發展方向，就是利用電解水制氫，以電能為動力，用電極將水分子轉換為氫、氧。電解水制氫的主要制造裝置是電解槽，根據電解液的性質將電解液分成三大類型:AWE、SOEC和PEM，3種電解槽的基本性能比較見表1。

目前，堿性和PEM兩種電解槽已經商業化或正在商業化，固體氧化物電解槽還處于實驗階段，還沒有商業化。因此，本文著重從理論上分析了兩種已經商業化的電解槽，并定量地分析了這兩種不同的制氫方法。

2堿性電解槽和質子交換膜電解槽原理分析

2．1堿性電解槽

堿槽生產氫氣的歷史較早，由TＲOOSTWIJK和DIEMANN于1789年提出，由于起步較早、發展時間較長、商業化較早，因此這一技術更為成熟。目前，人們普遍相信堿性電解池具有更高的安全性和更高的使用年限，可以達到15年，而且它的應用領域更廣泛;轉換效率一般在42%～78%之間。在過去的數年中，堿性電解槽的發展主要在以下兩方面實現了較好的進展:改良過后的堿性電解槽的轉化效率獲得了一定的提升，因此從降低成本方面有效減少了其與電能消耗相關的運作成本;而改良的堿性池則能增加操作電流，從而降低其投入成本。堿性電解槽的工作機理如圖1所示。

堿性電解槽是由兩個電極和一個氣體隔離的薄膜構成，該薄膜以一種石棉為主體，其功能是阻止氫與氧的混合物。總成浸泡于20%～30%的KOH電解質中，使其具有最高的電導性，或用NaOH與NaCl的混合物代替電解質。當蓄電池工作時，在65～100℃時，在陰極進行了一次還原，并在負極上形成了一個氫和OH－，OH－離子經膜片進入到陽極，在陽極上進行了氧化，形成了氧和水。在大量生產氫氣時，采用堿性電解池比較合適，一些廠家制造的高容量(500～760Nm3/h)的堿式電解池，對應的功率消耗在2150～3534kW之間。

事實上，為避免生成易燃氣體混合物，堿性電解槽中氫的產量一般會限制為額定范圍的25%～100%，允許通過的最大電流密度約為0．4A/cm2，工作溫度為5～100℃，最大電解質壓力接近2．5～3．0MPa。當電解壓力過高時會導致明顯的投資成本增加，同時有害氣體混合物的形成可能性也顯著增大。在沒有附加提純設備的情況下，在堿式電解池中，其氫氣的純度高達99%。在堿式電解池中，電解質的純度要求不超過5S/cm，以保證電極的安全性。

總而言之，堿制氫技術已較為成熟、投入少、操作成本較高;但存在著堿損耗、侵蝕、能源消耗大的問題。

2．2質子交換膜水解槽(PEM)

美國通用公司在1966年首次以聚乙烯薄膜制成質子交換膜，下文中的PEM電解槽正是在此基礎上發展起來的。1978年，美國通用電器把PEM電解池商業化。而截至目前，該企業所生產的PEM電解槽數量依然較少，這主要是由于至今PEM電解槽氫生產能力仍然有限，壽命較短，設備投入成本極高。PEM電解槽通常為雙極性，使用雙極片進行電連接，而雙極片在放電過程中扮演著重要角色。所述裝置包括陽極、陰極和通常由鉑或銥構成的電極組合物(MEA)。在陽極中，水被分解為氧、電子和質子。在陰極，由陽極生成氧、電子和質子，通過膜的循環，最后變成氫氣。PEM電解槽的工作原理如圖2所示。

PEM電解槽常用于制造小規模的氫，它的最大產氫容量為30Nm3/h，功率為174kW。結果表明，PEM電解槽的氫氣產量基本涵蓋了總配額的全部產量。PEM電解槽的工作性能優于堿性電解槽，其工作效率為48%～65%。由于主要成分為聚合物的換熱器的耐高溫性能較差，所以PEM電解槽的設計溫度通常低于80℃。德國Hoeler電解槽有限公司也已研發出了面對小型PEM電解槽的表面優化工藝。PEM電解槽最大的優點是可以隨著能量的供給而變化，尤其適用于對大量氫氣的需求。Hoeller公司的電解槽，能夠在幾秒鐘內響應0～100%的額定負載的電流變化。該專利技術現在正在進行驗證測試，該公司于2020年底建造并完成了測試設備。

PEM電解工藝生產的氫含量高于99．999%，其純度比常規堿性電解法高出許多。另外，由于聚合物質子交換膜膜的極低氣體滲透性大大減少了形成易燃混合物的危險性，也因此使得PEM電解槽能在極低的電流密度下正常工作。但是，必須保證電解液的導水性小于1S/cm。由于聚合物薄膜上的質子流能快速地響應能量的變化，PEM能夠適應多種電源方式。雖然PEM已商業化，但其缺點也很明顯，其原因在于高的制造成本，以及薄膜及貴金屬的制造費用。另外，PEM電解槽的壽命比常規的堿性電解槽要低。為了增強市場競爭能力，今后PEM電解槽的生產能力必須得到極大的提升。

3堿性電解槽與PEM電解槽成本分析

與其他新技術類似，綠色氫氣正在從一個重要的研究開發到一個新的發展時期。綠色氫氣液化氣的生產成本分為三大部分:電解槽生產成本、再生電能成本以及其他運營成本。總體而言，綠色氫氣的LCOH大約是1/4，而電力則是更大的一部分(大約3/4);操作成本支出比較低，一般不超過5%。

3．1堿性電解槽

常規的堿式電解池生產的費用與其生產的氫氣容量相關，生產容量愈大，生產費用愈高。目前國內市場上的堿性電解設備，每個設備的生產效率為10～10000Nm3/h，生產費用為100000～10000000美元。現在，一組設備可產生100萬噸/h的氫，每小時70000～100000元。從目前市場上各大堿槽廠的價格來看，該裝置的產氫量與其生產費用有較好的線性相關性，如下所示。

從成本構成來看，電力消耗是最大的，折舊費用次之，這兩項因素所占工程造價的比例超過90%。由于人工維護費用和原材料費用都屬于硬性支出，想要降低氫氣的生產成本，還需要降低發電成本和折舊率。

由于目前國內電力以燃煤為主，如果采用電力系統發電，其CO2排放遠高于煤氣等，無法適應目前“雙碳”政策，必須將電解液與太陽能、風電等可持續發展相融合，以實現節能與環保。根據國家發改委的《中國2050年光伏發展展望(2019)》中的預測，至2035年和2050年，光伏發電成本相比當前預計約下降五成和七成，達到0．2元/kWh和0．13元/kWh。

當電價下降的時候，電解制氫的費用就會下降，而電費的比重也會相應的下降。每千瓦時每降0．1元，氫氣就會減少0．5元/千瓦時。假定我國對太陽能發電技術的電價預測較為精確，那么到2035至2050年間，電價將達到60%，而在2050年左右，其制氫費用將達到1．67元/Nm3和1．32元/Nm3，與當前生產成本最低的煤制氫企業相比，已有37%和50%的差距。假定今后再加上相關的國家補貼，電解法的制造費用可能與礦物燃料制氫氣相比，或更少。

3．2質子交換膜電解槽

按照張軒等人的計算，目前PEM水解槽生產的氫氣費用為每公斤40元左右，具體如下。

目前PEM電解槽的制氫成本比堿性電解槽的制氫成本還高，主要由于PEM電解槽的原材料價值過高，造成每年的折舊成本太高，從而提高了制氫成本。機械和裝備的折舊占了四成，電力也占據了近半，因此要想減少設備的成本，就得從這兩個角度入手。

當電費下降時，發電費用占總費用的比例逐漸降低，而氫的費用則逐步降低。當電費分別為0．13元/kWh和0．2元/kWh時，氫氣成本分別為2．4元/Nm3和2．71元/Nm3，成本占比分別為24%和33%。與堿槽法生產的氫氣成本比較，存在一定的差異，其原因是:PEM的成本過高，而折舊費用過高。

由于電解槽生產成本的降低，氫氣生產成本和折舊在生產成本中的占比都將進一步降低，假設其余情況保持穩定，至2030年和2050年，PEM電解槽設備成本為1600萬元和500萬元，氫氣成本分別為2．86元/Nm3和2．31元/Nm3，設備折舊在成本中的占比分別為30%和13%。盡管價格相對于目前的市場基準已經有所下降，但和傳統堿性電解槽比較并不存在價格優勢。

盡管從中期來看，PEM電解槽的成本較高，但是到了2040年以后，由于成本下降，其生產費用將逐步下降，到2040年后將會逐步下降。

4我國未來發展趨勢

利用風電、光伏和水電等可再生資源生產氫氣，當價格低于0．25元/kWh時，其生產費用將會產生較好的效益(每千克15．3～20．9元)。用堿和PEM電解法生產氫氣的技術和經濟效益詳見表4。

電解制氫成本計算方法見式(1)和式(2):

LCOE=固定成本/(制氫量×壽命)+運行成本         (1)

運行成本=制氫耗電量×電價+水價+設備維護成本(2)

以堿性電解法及PEM電解法(1000Nm3/h)為實例，假定工程的整體使用年限為20年，工作年限為9萬h，其中的固定成本包括電解槽、氫氣純化裝置、材料費;如工程建設、調試咨詢費等，電解液的單價為每千瓦0．3元，其費用的核算方法詳見表5。

與其它氫氣生產模式相比，當可再生能源發電價格降低到0．25元/千瓦時時，綠色氫氣的價格將下降到15元/千克，從而具備了價格上的優越性。在碳中和的大環境下，可持續發展的電力系統將會降低發電費用、大規模生產氫氣、降低電解池的能耗、降低建設投資、降低碳稅等相關的稅收;綠色氫氣成本降低道路將逐步清晰。而常規的氫氣生產過程中，會摻雜大量的碳、硫、氯等相關的雜質，再加上提純、CCUS等費用，其生產成本將達到20元/kg。

與其它資源比較，當前綠色氫氣的生產費用比較昂貴，并且需要一定時間來減少生產費用。預計在未來十年內，我國風電、光伏的新增裝機總量分別為50GW/年和70GW/年，可再生能源成本也將下降，部分地區甚至可能低于平價上網。“十四五”時期，我國可再生資源的平均上網價格有望下降到0．25元/千瓦時，相應的綠色氫氣價格也將下降到15元/千克。

未來，由于其規模和關鍵核心技術的國內技術的突破，可以大大減少電解水槽的制造費用。到2030年，我國的堿性電解槽生產企業的生產費用將由現在的2萬元/千瓦降低到700～900元/千瓦;其中，以百萬千瓦為單位的PEM裝置，其初期投資將由現在的8000元/千瓦降低到2030～6700元/千瓦，2050年將下降到630～1450元/kW。所以，"十四五"中國的環保氫的總成本將會降低到20元/公斤;未來我國將重點發展可持續發展的可再生資源，綠色氫氣的綜合制造成本有望降低至每千克10元。

而PEM的生產成本與堿性電解槽比較，其生產費用也比較高;但是，由于氫能產業的迅速發展，對氫的需求量和科技水平的不斷提升，使得PEM電解槽的生產費用不斷降低，加之可持續發電的發電費用不斷降低，同時也會產生更多的氫量，因此，PEM電解槽制氫的生產費用將比堿法生產的低。如果考慮到使用區域(即土地成本)，PEM具有更加緊湊的構造形式，在相同容積下，PEM的占地僅為堿工廠的一半，而在高成本、低能耗和高反應速度下，PEM的優越性尤為突出;高負荷條件下，PEM電解法有望在未來的發展中作為一種新型的水解制氫技術。

5結語

伴隨政府“雙碳”政策措施的持續實施和深入，可再生能源(如光伏、風電等)發電生產成本的下降，氫燃料電池在汽車行業的規模化應用和氫能交易市場的逐步形成，社會金融市場對氫氣的需求將呈爆發式增長，盡管常規的化石原料所制造的“灰氫”在中短期內仍將占有市場主流，但采用環保的“綠色”能源來電解水制氫將是未來中國低碳經濟的主流方向，同時也是中國氫能工業蓬勃發展的必然趨勢。“綠氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術的進步下降到可接受的水平，電解水會成為氫氣的主要來源，氫能社會的最終目標也終將實現。