胡兵，徐立軍，何山，蘇昕，汪繼偉

（1 新疆工程學院控制工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2 新疆工程學院新疆煤礦機電工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830023；3 新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830023）

能源是人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，當前人類使用的主要為化石能源?；茉吹氖褂脦恿私?jīng)濟社會的快速發(fā)展，同時也造成嚴重的環(huán)境污染及CO的排放。大量溫室氣體排放造成全球溫度升高，海平面上升，導(dǎo)致大量動植物面臨滅絕。為此人類迫切需要用清潔可持續(xù)的綠色低碳能源來代替化石能源的使用，減少環(huán)境污染和溫室氣體排放。為應(yīng)對溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候問題，聯(lián)合國提出目標是21 世紀末將全球溫度上升控制在1.5℃。我國提出力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，爭取在2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標，充分展現(xiàn)了我國經(jīng)濟社會綠色、清潔發(fā)展的決心。

氫氣目前主要應(yīng)用于化工原料、分布式能源及燃料電池汽車等領(lǐng)域。按照碳排放量的不同來分類，制氫技術(shù)可分為灰氫、藍氫和綠氫。灰氫來源于化石能源，占全部氫氣的95%以上，其制備過程必然有碳排放。藍氫是天然氣或甲烷重整后通過碳捕捉、碳封存等技術(shù)進行處理的氫氣，但碳捕捉、碳封存技術(shù)成本較高。綠氫是可再生能源通過電解水方式制備的氫氣，其制備成本主要由可再生能源的成本決定。氫能是未來的理想能源，而綠氫是氫能的最終狀態(tài)。

可再生能源（如風能、太陽能等）具有波動性、間歇性的特點，若大規(guī)模并網(wǎng)將影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。氫能作為重要的二次能源，具有能量密度高、綠色無污染等優(yōu)點。若使用可再生能源電解水制氫，不僅為可再生能源消納提供新的方式，而且大幅度降低制氫成本，符合我國清潔能源轉(zhuǎn)型的目標?？稍偕茉粗茪涞陌l(fā)展將減少碳排放，必然助力碳達峰和碳中和目標實現(xiàn)。本文全面梳理PEM 燃料電池電解槽研究及可再生能源制氫項目發(fā)展，總結(jié)目前研究存在的主要矛盾和未來發(fā)展方向。最后對可再生能源PEM 電解水制氫未來發(fā)展進行展望，為氫能綠色發(fā)展提供思路和參考。

1 制氫方式

在氫能利用途徑中，制氫是前提，目前全世界存在的主要制氫方式有化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫、電解水制氫、光分解水制氫和生物質(zhì)制氫，以下將簡要介紹不同制氫方式的優(yōu)缺點，探討與可再生能源的最佳結(jié)合方式。

1.1 化石能源制氫

作為最主要的制氫方式，全球化石能源制氫占制氫總量的96%，其中烴類制氫和煤制氫是化石能源制氫的主要組成部分?；茉粗茪浼夹g(shù)有煤氣化制氫、烴類重整制氫、烴類部分氧化制氫和烴類催化裂解制氫等方法，主要以煤氣化制氫和天然氣重整制氫為主。我國能源具有“富煤、貧油、少氣”的特征，2020 年中國煤炭消費占能源消費總量56.8%。煤的清潔高效利用符合我國能源特征，煤氣化制氫是目前工業(yè)制氫技術(shù)中最成熟的制氫方法之一。煤氣化制氫技術(shù)在成本、技術(shù)、規(guī)模等方面具有優(yōu)勢，但是由于原料中含有雜質(zhì)，制氫波動大、產(chǎn)氫效率低且含有大量雜質(zhì)氣體，需要額外的工藝進行氫氣提純。天然氣制氫可追溯到20世紀20 年代，分為蒸汽重整、部分氧化、催化裂解和自熱重整四種方法，其技術(shù)對比見表1所示，天然氣制氫技術(shù)成熟，各有優(yōu)缺點。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，為了降低化石能源制氫的碳排放，提出碳捕集和碳封存技術(shù)，但是受限于碳捕集和碳封存成本較高的原因，該技術(shù)未得到大范圍推廣。

表1 天然氣制氫技術(shù)對比

1.2 工業(yè)副產(chǎn)氣制氫

工業(yè)副產(chǎn)氣制氫將煉焦、氯堿、甲醇等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生含有氫氣的混合氣，通過分離提純技術(shù)實現(xiàn)氫氣的回收。在節(jié)能減排的背景下，工業(yè)副產(chǎn)氣回收制氫被認為是在綠氫普及之前的過渡階段，不僅可以降低氫氣生產(chǎn)成本，還可以減少能源消耗。表2總結(jié)比較了我國工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)氣量最大的5類副產(chǎn)氣制氫方法，其生產(chǎn)工藝根據(jù)副產(chǎn)氣種類的不同而不同。

表2 副產(chǎn)氣匯總表[8]

1.3 電解水制氫

目前只有4%的氫氣是通過電解水制氫獲得。與傳統(tǒng)化石能源制氫技術(shù)相比，電解水制氫技術(shù)最大的劣勢在于成本。但電解水制氫具有工藝簡單、無污染、氫氣純度高等優(yōu)勢，能夠很好地與可再生能源結(jié)合，從而大幅度降低制氫成本，因此綠氫是氫能的最終形態(tài)。電解水制氫主要有三種方式，分別為堿性電解水制氫（alkaline water electrolyzer，AWE）、PEM電解水制氫、固體氧化物電解水制氫（solid oxide electrolyzer，SOE），其技術(shù)性能對比見表3。AWE制氫是目前規(guī)模最大、商業(yè)化程度最高的電解水制氫技術(shù)，然而其受限于電流密度低、動態(tài)響應(yīng)差，導(dǎo)致其產(chǎn)氫速率低、與可再生能源適配性差。SOE制氫效率最高，但其所需高溫條件和啟動慢等劣勢嚴重限制其應(yīng)用場景。PEM 制氫技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、電流密度高、波動適應(yīng)性強等優(yōu)點，使其更加適應(yīng)可再生能源出力特征。因此PEM制氫技術(shù)在可再生能源結(jié)合方面更具優(yōu)勢。

表3 電解水制氫技術(shù)對比

1.4 其他制氫方式

1.4.1 光分解水制氫

光分解水制氫技術(shù)分為光電催化制氫技術(shù)和光催化制氫技術(shù)。光電催化制氫技術(shù)是一種依靠半導(dǎo)體吸收可見光產(chǎn)生電荷進行電解水制氫的技術(shù)，該技術(shù)主要受半導(dǎo)體電荷傳輸效率和可見光的吸收效率的影響，制氫效率不同。光催化制氫技術(shù)是電子和空穴在空間上分離并擴散到半導(dǎo)體表面，分別發(fā)生析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)，最終將水分解產(chǎn)氫。該技術(shù)受半導(dǎo)體的吸光范圍、吸光效率、光生載流子遷移分離能力等因素的影響，制氫效率和產(chǎn)氫量有所不同。

1.4.2 生物質(zhì)制氫

生物質(zhì)制氫有兩種方法，分別是生物法和化學法。生物質(zhì)制氫具有來源廣泛、綠色可持續(xù)、對環(huán)境友好等優(yōu)點。但是同時存在技術(shù)不成熟、制氫效率低等缺點，制約該技術(shù)的發(fā)展。目前生物質(zhì)制氫依然停留在實驗室階段，尚未大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

在上述制氫方式中，化石能源制氫效率高、成本低，但制氫過程中存在較大程度的碳排放，通過碳捕捉或者碳封存的方式，可以最大限度地減少碳排放，然而碳捕捉和碳封存成本較高，進一步提高了制氫成本。工業(yè)副產(chǎn)氣制氫利用工業(yè)廢氣提純制氫，最大限度地利用資源和能源，但是存在提純工藝復(fù)雜、產(chǎn)氫純度不高等問題。電解水制氫原料為水，產(chǎn)出氫氣和氧氣，過程綠色無污染，但是該制氫方式能量消耗大，若與可再生能源中的棄風、棄光、棄水等能源結(jié)合，可降低電解水制氫的成本，同時提升可再生能源消納能力。從碳達峰、碳中和目標來考慮，可再生能源電解水制氫是最理想的制氫方式。在可再生能源電解水制氫的三種方式中，PEM 電解水制氫具有響應(yīng)速度快，制氫壓力大，適應(yīng)寬功率波動工況等優(yōu)點，能夠與可再生能源很好地結(jié)合，對消納可再生能源和可再生能源存儲具有重要意義，必將助力碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)。

2 PEM電解水制氫

PEM電解槽內(nèi)電化學過程見圖1所示，純水通過進水通道進入催化層，在直流電源和催化劑的共同作用下，陽極產(chǎn)生氧氣和氫離子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜與陰極的電子結(jié)合產(chǎn)生氫氣。PEM 電解水制氫純度較高，僅存在少量水蒸氣，經(jīng)過干燥后可直接用于燃料電池。PEM 電解槽結(jié)構(gòu)緊湊，能快速適應(yīng)輸入功率波動，是未來可再生能源制氫的重要技術(shù)路徑。

圖1 PEM電解水制氫原理圖

PEM電解槽結(jié)構(gòu)組成見圖2所示，PEM電解槽主要由雙極板、多孔擴散層、質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層組成。電解槽中各組成部分決定PEM 電解水制氫的成本和設(shè)備壽命。雙極板、膜電極、催化劑成本分別占PEM 電解槽總成本的48%、10%、8%，PEM 電解槽的研究集中在降低PEM 電解槽壽命、優(yōu)化雙極板表面工藝、提高催化劑活性、改善擴散層結(jié)構(gòu)、提高質(zhì)子交換膜壽命等方面。

圖2 PEM電解槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 雙極板

雙極板成本占PEM電解槽總成本的48%，控制PEM 電解槽成本需要優(yōu)先控制雙極板成本。對雙極板的研究主要集中在極板材料、極板涂層、極板流道設(shè)計優(yōu)化上。PEM 電解槽雙極板材料主要包括石墨材料、金屬材料和復(fù)合材料。石墨材料導(dǎo)電性能優(yōu)異，但是材料較脆；復(fù)合材料性能優(yōu)異，但是受限于成本問題；金屬材料導(dǎo)電性能好、易于加工，是目前最常用的雙極板材料。但是金屬材料雙極板在PEM電解槽運行過程中，容易腐蝕金屬，造成PEM 電解槽污染。目前的解決方法是在雙極板表面添加涂層。

近些年貴金屬涂層的研究成為熱點。為降低PEM 雙極板的成本，提高抗腐蝕能力，采用熱噴涂技術(shù)在不銹鋼雙極板上噴涂Ti 涂層，通過Pt 對Ti 涂層進行表面改性，可達到與鈦基雙極板同樣的性能。進一步研究發(fā)現(xiàn)，將Pt涂層換成價格更低的Nb 涂層，可維持相似的電解性能。采用低氧化鈦（TiO）涂層鈦（Ti）雙極板，可降低接觸電阻，達到與platinum plating 同樣的性能。PEM電解槽與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）有很多相似之處，PEMFC 的技術(shù)發(fā)展能帶動PEM 電解槽的發(fā)展，Teuku 等從PEM 電解水制氫電解槽的雙極板設(shè)計、雙極板制造材料等方面來展開對低溫PEM 電解水制氫電解槽雙極板的綜述，最基本的雙極板材料是奧氏體不銹鋼和鈦，最受歡迎的涂層是氮化鈦。Song等以雙極板材料為區(qū)分，綜述現(xiàn)有雙極板制備方法，總結(jié)目前常用的流場設(shè)計，對未來雙極板研究方向進行展望，為雙極板材料的研究和流場的設(shè)計提供參考。預(yù)計雙極板金屬材料及其涂層的研究仍然是未來一段時間內(nèi)的研究熱點，流道的設(shè)計側(cè)重于流場布局，便于膜中水的均勻分布，同時防止水淹。

2.2 催化劑

PEM電解槽成熟的商業(yè)催化劑大多采用Ir、Pt系列催化劑，為減少貴金屬帶來的成本因素，研究集中在減少貴金屬催化劑的負載量、使用非貴金屬代替貴金屬催化劑。分析當前PEM電解槽催化劑開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)，提出了開發(fā)具有低堆積密度的高結(jié)構(gòu)催化劑的途徑，其催化效率比商業(yè)基準催化劑略有提高。有研究人員發(fā)現(xiàn)非貴金屬磷化鈷應(yīng)用于商用PEM 電解槽，在相同的操作條件下，比鉑基PEM 電解槽性能好且穩(wěn)定。然而在PEM 電解過程中，由于陽極處于強酸環(huán)境，非貴金屬易與酸性根離子結(jié)合而降低質(zhì)子傳導(dǎo)能力，因此非貴金屬催化劑研發(fā)難度大，預(yù)計未來一定時期內(nèi)催化劑材料主要側(cè)重研究新型低銥（Ir）材料及其制備工藝，非銥（Ir）基催化劑的設(shè)計與合成也將是研究熱點。

2.3 擴散層

擴散層的研究主要集中在擴散層涂層工藝及其材料的研究，擴散層的結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化、擴散層的水管理研究等方面，以提高擴散層的導(dǎo)電性能、機械性能和親水疏水性能等。將貴金屬氧化物涂層涂在PEM 電解槽的陽極擴散層，可以有效提高擴散層的導(dǎo)電能力、機械穩(wěn)定性、化學性能和抗腐蝕性能。為了研究氣體擴散層空間變化特性對水管理和質(zhì)子交換膜性能的影響，采用數(shù)值分析方法研究孔隙度和潤濕性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者分布的空間變化會影響陰極氣體擴散層和催化劑層內(nèi)部液態(tài)水的飽和度分布。文獻[29]從氣體擴散層疏水性、孔隙率、工程穿孔、微孔層等多方面介紹質(zhì)子交換性能膜燃料電池和電解水電解槽擴散層的改性和處理方法，表明微孔層可以在低濕度條件下保持膜水化，在潮濕條件下可以有效去除多余水分。文獻[30]根據(jù)PEM 電解槽氣體擴散層的微孔層研究現(xiàn)狀，綜述了微孔層的孔隙率和孔徑分布設(shè)計，總結(jié)了微孔層的潤濕性及其對排水的影響，總結(jié)了氣體擴散層的耐久性設(shè)計，表明氣體擴散層的穿孔可以改善其去水效果，需要對新型微孔層材料的實用性和耐久性進行深入研究。

2.4 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜常使用全氟磺酸聚合物Nafion膜作為質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)。為改善質(zhì)子交換膜離子交換性能，以芳基或氮雜芳基雙膦酸鹽為摻雜劑，采用流延法制備的新型Nafion膜，表現(xiàn)出更高的吸水率和離子交換能力。文獻[32]綜述了以采用預(yù)處理、摻入增強劑、納米復(fù)合材料、共混物、離子液體等手段來改善Nafion 性能的最新成果，表明原始Nafion 的熱歷史和預(yù)處理對其性能有相當大的影響，可以制備復(fù)合的Nafion膜，并與其他聚合物共混，從而降低膜的成本，提高其機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。為了解決全氟磺酸膜（如Nafion）存在催化劑中毒、成本較高等問題，文獻[33]使用無氟聚合物有效解決該問題。預(yù)計在未來一段時間內(nèi)，質(zhì)子交換膜的研究側(cè)重于膜的改進、新型質(zhì)子交換膜的開發(fā)等方面，以降低質(zhì)子交換膜的成本，提高膜的使用壽命。

3 可再生能源電解水制氫

碳達峰與碳中和目標實現(xiàn)需要使用可再生能源，將可再生能源與PEM 電解水制氫結(jié)合是最佳途徑，可以實現(xiàn)資源優(yōu)勢互補，進一步減少碳排放和制氫成本。當前成熟的可再生能源制氫主要為太陽能制氫和風電制氫，實現(xiàn)可再生能源多能互補制氫也是提高可再生能源利用率的重要舉措。

3.1 太陽能制氫

我國太陽輻射總量等級圖見圖3所示，太陽能最豐富帶、很豐富帶、較豐富帶分別占全國的22.8%、44%和29.8%，最豐富帶太陽能輻射年總量高于1750kWh/m，但是我國太陽能資源豐富地區(qū)主要集中在西北與華北北部，年輻照天數(shù)在250～350 天之間，年平均輻照高于200W/m，而西南部分地區(qū)太陽能輻射年總量低于1050kWh/m，年平均輻照低于120W/m?？梢钥闯?，太陽能存在空間分布不均勻，受晝夜、氣象因素影響，存在不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，因此導(dǎo)致太陽能發(fā)電呈現(xiàn)波動性、間歇性特點。且受區(qū)域分布和消納能力限制，棄光問題突出。

圖3 全國太陽輻射總量等級

將太陽能光伏發(fā)電與PEM 電解水制氫結(jié)合，可以很好地解決棄光問題，提高可再生能源利用率。為適應(yīng)光伏的波動性，有效耦合光伏發(fā)電和PEM 電解水制氫，提高能量利用效率和電解水制氫的安全性，可采用DC-DC逆變器控制，見圖4所示，根據(jù)二者極化曲線的動態(tài)變化，靈活調(diào)整光伏電池發(fā)電和PEM電解水制氫耦合。為避免DC-DC逆變器帶來的功率損失和成本問題，通過在電解槽單元提供控制策略，直接將PEM 電解槽與光伏發(fā)電系統(tǒng)耦合，見圖5所示，實現(xiàn)太陽能光伏制氫安全運行和功率直接匹配的目標。

圖4 PV-逆變器耦合PEM制氫

圖5 PV直接耦合PEM制氫

為實現(xiàn)穩(wěn)定的光伏制氫或者電網(wǎng)調(diào)峰的目的，將光伏電池、PEM 電解槽、電網(wǎng)和能源控制中心結(jié)合，如圖6所示，實現(xiàn)電網(wǎng)輔助穩(wěn)定制氫或者光伏并網(wǎng)發(fā)電，并將過剩的電用于光伏制氫。

圖6 PV-逆變器-電網(wǎng)耦合PEM制氫

針對太陽能光伏PEM 電解系統(tǒng)的瞬態(tài)行為，Sharifian 等在動態(tài)負載情況下，利用MATLAB 開發(fā)一種光伏耦合PEM 電解槽的動態(tài)模型，探索輸入功率波動對PEM 電解槽性能的影響。為研究太陽能PEM 電解制氫系統(tǒng)性能，Ganjehsarabi在當?shù)卮髮W地區(qū)內(nèi)開展太陽能PEM 電解制氫系統(tǒng)可行性研究，發(fā)現(xiàn)開發(fā)太陽能高壓PEM 電解槽制氫具有很大潛力。為了評估分布式可再生能源制氫的潛力，通過多目標遺傳算法可對光伏PEM 制氫系統(tǒng)的能量、經(jīng)濟模型進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)綜合效率。

在產(chǎn)業(yè)研究方面，2018 年日本著名光伏制氫項目FH2R在福島Namie啟動，項目包括20MW光伏和10MW制氫裝置，氫氣生產(chǎn)速度達到1200m/h。2021 年全球最大的太陽能電解水制氫項目在我國寧夏正式投產(chǎn)，該項目包括200MW 的光伏發(fā)電裝置和產(chǎn)能為20000m/h 的制氫裝置，每年減排可達到44.5萬噸，技術(shù)已達到國際先進水平。2021年6月22日張掖市光儲氫熱產(chǎn)業(yè)化示范項目正式動工，由中國能源建設(shè)集團承建，該項目完成后，全容量投產(chǎn)的情況下，每年減排可達到155萬噸。2021年11月30 日我國首個萬噸級的太陽能光伏制氫項目在新疆庫車正式開工建設(shè)，預(yù)計年產(chǎn)綠氫2萬噸。

3.2 風電制氫

我國風能資源豐富，年有效風能功率密度和風速在3～25m/s，風能資源豐富地區(qū)主要集中在東北、華北北部、西北（“三北”）地區(qū)，100m 高度上土地可利用率達0.8 以上。但是“三北”地區(qū)的風為冬季風、春季風，容易受季節(jié)、氣象因素影響，導(dǎo)致風電也呈現(xiàn)出波動性、間歇性的特征。同時受用電負荷區(qū)域分布、電力系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)峰需求、輸電能力等因素的影響，導(dǎo)致棄風問題存在，浪費風電資源。

將風電與PEM 電解水制氫結(jié)合，分為并網(wǎng)風電PEM 制氫（圖7）和離網(wǎng)風電PEM 制氫。當風力發(fā)電過剩時，可以將棄風發(fā)電用于氫儲能，電力不足或者電力波動性大時，可以通過燃料電池或氫燃汽輪機發(fā)電，起到削峰填谷作用，增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和最大限度的利用可再生能源。風電的波動性嚴重影響電解水制氫系統(tǒng)的性能，Muyeen等采用10 個不同容量的電解制氫裝置，通過調(diào)整不同制氫裝置的啟停來平滑風電出力，實現(xiàn)不采用昂貴的儲能系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，整體性能明顯提升。Sarrias-Mena 等考慮波動風速、波動功率、不同溫度、壓力對PEM 制氫設(shè)備運行的影響，提出四種不同的PEM 電解水制氫與風電耦合運行模型，系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行效果良好，得到風電制氫是棄風風電利用的理想選擇結(jié)論。對于離網(wǎng)風電PEM 制氫，Carr 等利用PEM 電解槽能夠運行在低功率條件下的優(yōu)勢，設(shè)計了獨立的風電制氫系統(tǒng)，以12kW的PEM電解槽為基礎(chǔ)，提出了系統(tǒng)的動態(tài)模型。設(shè)計了最大功率追蹤控制算法，采用格拉摩根大學風電制氫場的歷史風電數(shù)據(jù)確定風電制氫系統(tǒng)潛在的產(chǎn)量。為分析風電制氫電源變化對產(chǎn)氫量的影響因素，通過分析風電特性，搭建獨立風電場風電制氫模型，可以得出風電輸出功率變化對制氫的影響以及電壓電流隨產(chǎn)氫量變化的影響。

圖7 并網(wǎng)風電PEM制氫

在風電制氫技術(shù)的經(jīng)濟性和可行性研究方面，針對陸上風電成本對制氫成本影響的問題，研究發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電成本占制氫成本比例較大，在商業(yè)可行的風電制氫地點，陸上風力發(fā)電成本為0.55～0.56CNY/kWh，在經(jīng)過儲運費用均攤后，可再生氫供應(yīng)成本為34.27～37.50CNY/kg。為此降低風電成本、制氫成本、氫能儲運成本是風電制氫產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

在產(chǎn)業(yè)研究方面，2015 年河北沽源風電制氫項目是國內(nèi)首個風電制氫項目，包括200MW 風電場和10MW 制氫設(shè)備，項目完成后可實現(xiàn)年制氫1.752×10m，目前為世界裝機容量最大的風電制氫項目。近些年海上風電制氫項目發(fā)展勢頭同樣猛烈，荷蘭的NortH項目計劃在2030年和2040年分別達成3～4GW 和10GW 的海上風電裝機容量，項目完成后可年產(chǎn)80 萬噸綠氫，是全球最大的海上風電制氫項目。

3.3 可再生能源多能互補制氫

為提高能源整體利用效率，將供給側(cè)端可再生能源進行有效整合，使用電-氫作為多能互補的基礎(chǔ)，如圖8所示，將風能、太陽能等不同形式的可再生能源通過電-氫互補，不僅有效降低電解制氫成本、提高可再生能源利用率，還為可再生能源消納、儲存提供新的途徑。

圖8 可再生能源多能互補制氫

在可再生能源多能互補研究方面，風光互補占有一席之地，研究人員發(fā)現(xiàn)光伏和風電具有季節(jié)性互補特性，如圖9 所示。春季和秋季（3 月～5 月，9 月～11 月）風電和光伏容量因子較為接近，尤其在4月和10月基本持平。在夏季（6月～8月）光伏容量因子明顯大于風電容量因子，而在冬季（12月～來年2月）風電容量因子則大于光伏容量因子，季節(jié)性互補特性在冬季和夏季更加明顯。通過將風電和光伏互補，發(fā)現(xiàn)全年容量因子變化幅度明顯降低，說明可再生能源多能互補技術(shù)能有效抑制可再生能源功率波動。

圖9 風電和光伏容量因子的季節(jié)性變化[53]

單一的可再生能源波動較大，在并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，可再生能源多能互補是平抑功率波動的有效方式之一。采用譜分析方法探索風電和光伏發(fā)電的波動特性的內(nèi)部基本規(guī)律，給出風能和太陽能的基本模型，揭示間歇性的特性和相差特性，在此基礎(chǔ)上提出風光互補的理論基礎(chǔ)，通過案例研究，驗證風光互補大規(guī)模制氫成本可以與煤制氫的成本相媲美，碳排放量遠低于煤制氣。

Wang 等提出一種多能互補分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并應(yīng)用于北京某商業(yè)建筑驗證其可靠性。隨著多能互補制氫系統(tǒng)研究的不斷深入，模擬系統(tǒng)模型也愈加復(fù)雜，Zahedi等提出并搭建了一種包括風能、水能、太陽能、地熱能和生物質(zhì)能五種可再生能源-PEM 制氫-燃料電池系統(tǒng)的可再生能源混合系統(tǒng)，并通過搭建實物模型來驗證系統(tǒng)可靠性。

多能互補制氫研究主要側(cè)重于多能互補系統(tǒng)運行策略控制、儲能容量配置優(yōu)化。面對風光互補系統(tǒng)的社會效益問題，在分析新能源發(fā)電、調(diào)頻、負荷及二級市場的結(jié)構(gòu)和效益的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建風光儲能系統(tǒng)策略優(yōu)化模型可顯著提高系統(tǒng)效率、增加成本收益、優(yōu)化市場結(jié)構(gòu)。隨著多能互補系統(tǒng)規(guī)模擴大，多能互補的優(yōu)勢更加明顯，文獻[58]針對區(qū)域能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)問題，開發(fā)了一個交易能源機制支持的能源共享策略，研究發(fā)現(xiàn)在多能互補的共享模式下，能源效率提高，成本降低，且隨規(guī)模擴大而更加明顯。文獻[59]基于Wasserstein 方法和改進的K-medoids理論創(chuàng)造不確定因素環(huán)境，并在環(huán)境中以最大收益、最小成本和產(chǎn)出平穩(wěn)為目標對多能互補系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化分析。多能互補容量配置優(yōu)化同樣是研究重點，基于互補保證率（CGR）和累計時間比例（CTP）的最優(yōu)容量決策方法可有效優(yōu)化風-光綜合能源系統(tǒng)，光伏和風電最佳容量比為0.744 和0.256。文獻[61]以低成本、高收入和高效率為目標對風光互補綜合系統(tǒng)的容量進行粒子群多目標優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)通過減少集熱器面積和增加儲罐容量可降低發(fā)電成本。

在多能互補制氫產(chǎn)業(yè)研究方面，2018 年歐盟BIG HIT 項目在Kirkwall 啟動，該項目通過風能和潮汐能進行PEM電解水制氫，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。2021 年中國能建與內(nèi)蒙古鄂爾多斯簽署1000MW風電、5000MW光儲一體化項目投資開發(fā)框架協(xié)議，與新疆巴音郭楞簽署8000MW風光水火儲一體化項目開發(fā)框架協(xié)議，與青海海西州簽署4000MW風光儲氫一體化項目投資合作框架協(xié)議，加強多能互補基地建設(shè)。國電電力計劃在2025年內(nèi)建成投產(chǎn)內(nèi)蒙古鄂爾多斯“風光火儲氫”綜合能源項目，項目包括1000MW 風電、2650MW光伏、480MW 儲能。國家電投在柴達木盆地德令哈的“多能互補”項目，項目包括2000MW 光伏、200MW風電、880MW儲能，具有較好的示范效應(yīng)。

4 結(jié)語

碳達峰與碳中和目標實現(xiàn)需要最大限度使用綠色、清潔、低碳的可再生能源，本文總結(jié)當前的主要制氫方式，進行詳細的對比分析，認為可再生能源與PEM 電解水制氫為碳達峰與碳中和目標下制氫的最佳結(jié)合方式。從PEM 電解水制氫和可再生能源PEM 電解水制氫兩個角度展開綜述，分析了技術(shù)進展、研究熱點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并提出展望。分析得出當前二者結(jié)合主要問題為PEM 電解槽成本問題、可再生能源發(fā)電成本問題，以及二者耦合制氫、多能互補制氫的技術(shù)問題，提出如下解決路徑。

（1）在PEM 電解槽成本方面，研發(fā)雙極板新型材料或者研究金屬雙極板表面涂層技術(shù)，減少貴金屬催化劑的負載量，開發(fā)低成本長壽命的質(zhì)子交換膜是整體降低PEM 電解水制氫電解槽的成本主要途徑。

（2）在可再生能源發(fā)電成本方面，需進一步開展核心技術(shù)攻關(guān)，解決制約風電、光伏發(fā)電等可再生能源能源發(fā)電的瓶頸問題，優(yōu)化發(fā)電調(diào)度決策，從而降低可再生能源發(fā)電技術(shù)成本。

（3）在可再生能源與PEM 電解水制氫耦合方面，研究適應(yīng)寬功率波動的電力電子器件，開展PEM 制氫設(shè)備的寬功率波動適應(yīng)性研究，探索大容量、低成本適應(yīng)可再生能源波動的PEM 制氫設(shè)備，以適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞男枨?。

（4）在多能互補制氫方面，整合太陽能、風能等可再生能源，協(xié)調(diào)控制多能互補能源系統(tǒng)，推動電-氫互補，構(gòu)建氫能和電能為核心的新型電力系統(tǒng)，為社會提供所需求的能源形式，助力碳達峰和碳中和目標。