由于終端用戶希望能受益于二氧化碳大幅減排或零排放，隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)性改善，氫氣成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的熱點(diǎn)。

電解槽基本情況現(xiàn)在不少氫氣由水電解而制得，如果所用電能為可再生電力如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，制氫過(guò)程二氧化碳零排放，制得的氫氣便是“綠色”氫氣。近年來(lái)，為滿足全球?qū)Α熬G色”氫氣的需求，電解槽產(chǎn)量增長(zhǎng)很快。今年6 月德國(guó)thyssenkruppindustrial-solutions公司宣布對(duì)電解槽生產(chǎn)裝置進(jìn)行擴(kuò)能。該公司表示，擴(kuò)能有利于經(jīng)濟(jì)地提高綠氫以及后續(xù)產(chǎn)品氨和甲醇生產(chǎn)的價(jià)值鏈。今年早些時(shí)候，該公司宣布其電解裝置可以通過(guò)德國(guó)能源巨頭E.ON 公司的虛擬電廠連接德國(guó)電力市場(chǎng)，可以有效地起到穩(wěn)定電網(wǎng)的緩沖作用。要達(dá)到這個(gè)目的，電解槽必須要達(dá)到一些與負(fù)載變化相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，證明其有足夠的反應(yīng)速度和靈活性來(lái)參與平衡能源市場(chǎng)。

現(xiàn)在市場(chǎng)上主要有堿液電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）兩種，其他一些如陰離子交換膜（AEM）、固體氧化物電解槽電池（SOEC）、光電化學(xué)水分解（PEC）等技術(shù)都處于研發(fā)階段。堿液電解是更為成熟的技術(shù)，堿液電解槽價(jià)格也低廉些。但質(zhì)子交換膜電解槽因?yàn)閷?duì)電力變化反應(yīng)更快而具附加價(jià)值；此外，交換膜將氫氣和氧氣物理隔開，因而安全性更好。

降低成本與提高性能同傳統(tǒng)的天然氣經(jīng)蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化制氫（SMR）相比，電解槽技術(shù)進(jìn)步使電解制氫越來(lái)越具吸引力。美國(guó)Nel 氫氣公司稱，過(guò)去2～3 年中，電解槽制造成本下降幅度高達(dá)75%。傳統(tǒng)的SMR 制氫工藝每生產(chǎn)1 噸氫氣會(huì)產(chǎn)生10～12噸二氧化碳，現(xiàn)在采用低成本可再生電力可以零排放生產(chǎn)綠色氫氣。電解槽制造商的目標(biāo)是達(dá)到“化石平價(jià)”，即電解制氫價(jià)格能與天然氣SMR制氫持平。Nel 公司正努力提高電解槽的效率和性能，如減少PEM催化劑中的貴金屬、改進(jìn)堿液系統(tǒng)中的電極工藝等。

SMR制氫與水電解制氫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，地理位置是一個(gè)重要的影響因素。在一些當(dāng)?shù)靥烊粴赓Y源匱乏SMR裝置，天然氣需要從外運(yùn)輸供應(yīng)；或氫氣要通過(guò)長(zhǎng)管拖車或是以液化形式用罐車運(yùn)輸，效率很低。對(duì)于需要大量用氫的合成氨裝置、甲醇裝置和石油煉制裝置，現(xiàn)場(chǎng)制氫供氫就非常具有吸引力。盡管SMR仍是目前使用最普遍的技術(shù)，但電解制氫效率高、操作彈性大，而且易于擴(kuò)能，很多化學(xué)品生產(chǎn)廠正轉(zhuǎn)向用電解制氫來(lái)增加制氫能力和裝置柔性。

Nel公司正在開展一系列氫氣應(yīng)用的中試試驗(yàn)，旨在幫助裝置轉(zhuǎn)向“綠氫”。許多合成氨生產(chǎn)商都關(guān)注著電解制氫的試驗(yàn)結(jié)果。Nel 在明尼蘇達(dá)有一套風(fēng)電—氨項(xiàng)目已運(yùn)行了幾年，還有一些項(xiàng)目在推進(jìn)中。

Nel公司是H2@Scale基金資助的公司之一，該基金由美國(guó)能源署設(shè)立，由美國(guó)能源效率與可再生能源（EERE）辦公室氫氣和燃料電池技術(shù)辦公室（HFTO）負(fù)責(zé)資金發(fā)放。今年7月，共向18個(gè)項(xiàng)目發(fā)放了6 400 萬(wàn)美元，以期達(dá)到提升美國(guó)氫氣生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的目的，其中1 500 萬(wàn)美元投向了電解槽制造技術(shù)方面。電解槽的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是對(duì)間歇式的可再生電力如風(fēng)能、太陽(yáng)能具有較好的適應(yīng)性。對(duì)于電解槽技術(shù)研發(fā)，H2@Scale的主要目標(biāo)是提高效率和壽命，同時(shí)降低總成本。

電解槽技術(shù)現(xiàn)在研發(fā)趨勢(shì)是整體開發(fā)，不同以往僅在某個(gè)方面如催化劑或膜等方面做些改進(jìn)，而是關(guān)注整個(gè)工藝和整體材料的開發(fā)，以及如何將各方面進(jìn)展整合進(jìn)行大規(guī)模制造。其他開發(fā)重點(diǎn)有膜涂層技術(shù)、簡(jiǎn)化膜制造；優(yōu)化多孔輸送層；降低貴金屬用量。此外，H2@Scale還首次在美國(guó)布置了兩個(gè)核能—?dú)錃忭?xiàng)目。HFTO 負(fù)責(zé)人稱，給水質(zhì)量是另一個(gè)新的研究領(lǐng)域。H2@Scale 有幾個(gè)處于初級(jí)階段的項(xiàng)目，探索采用污水或海水而非高純凈水進(jìn)行電解。

氫氣與天然氣的協(xié)同是另一個(gè)新熱點(diǎn)，特別是將氫氣與天然氣摻混。但氫氣與天然氣摻混，所用材料對(duì)其兼容性是個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在很多研究機(jī)構(gòu)都在開展氫氣對(duì)金屬和樹脂的脆裂性影響研究。

PEM電解技術(shù)進(jìn)展德國(guó)Hoeller電解槽公司開發(fā)了一種用于小型PEM 電解槽的優(yōu)化電池表面技術(shù)，這種技術(shù)可以減少貴金屬用量、提高操作壓力，其電池堆可根據(jù)需求設(shè)計(jì)。PEM水電解的主要優(yōu)點(diǎn)是氫氣產(chǎn)量幾乎隨提供的能量同步變化，因此很適合氫氣需求量變化的工藝。Hoeller公司的電池堆可以對(duì)額定載荷0～100%之間的變化在幾秒內(nèi)做出反應(yīng)。Hoeller的這個(gè)專利技術(shù)已進(jìn)行了概念驗(yàn)證性試驗(yàn)，并將在2020年底建試驗(yàn)裝置。

AEM電解AEM在某種程度上是PEM和傳統(tǒng)的隔膜基堿液電解的混合。堿液電解可以采用較為低廉的材料，如不銹鋼、鎳等，而PEM因?yàn)槠渌嵝原h(huán)境，需要用鉑等貴金屬材料作催化劑，而且其電化學(xué)池要用鈦金屬材料，因此投資成本要高許多。不過(guò)，堿液電解電流密度和效率受限，一般需要另加一個(gè)加壓步驟，PEM系統(tǒng)則克服了這個(gè)不足。AEM的主要挑戰(zhàn)在于要開發(fā)一種能耐堿性環(huán)境、合適的聚合物膜材料。除了耐堿性環(huán)境外，這種聚合物材料還必須具有較高的離子導(dǎo)電率，以及電解槽加壓后的抗壓穩(wěn)定性。德國(guó)Evonik工業(yè)公司在其現(xiàn)有的氣體分離膜技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種專利聚合物材料。Evonik正在放大這種聚合物生產(chǎn)并在一個(gè)中試線上擴(kuò)大膜生產(chǎn)，下一步是驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性并提高電池堆規(guī)格，同時(shí)擴(kuò)大膜生產(chǎn)。

氫氣后加工 電解生產(chǎn)的氫氣還需要進(jìn)行壓縮、脫水、提純等加工。根據(jù)純凈度的要求，氫氣在終端應(yīng)用前還有幾個(gè)步驟，第一步一般是采用分離罐將氫氣純度提高到99.9%，進(jìn)一步提高純度就需要采用分子篩。氫氣壓縮也有諸多挑戰(zhàn)。隨著“綠色”氫氣和電解槽需求增長(zhǎng)，電解技術(shù)以及氫氣后加工技術(shù)都在不斷進(jìn)步。