引言
推动全社会绿色发展，实现碳达峰、碳中和，是产业结构调整的强大动力，也为产业结构优化升级提供了重大战略机遇。氢能作为清洁、安全、高效的二次能源，来源途径多，应用领域广。是实现大规模可再生能源利用的重要载体，可实现多异质能源跨地域和跨季节的优化配置，形成可持续高弹性的创新型多能互补系统[1]，因此发展绿色氢能技术是实现双碳目标的重要路径之一。
1电解水制氢技术
风机发出的电需要经过简单的变压和整流处理调整到所需电压，交流电整流为直流电，便可与电解水制氢装备耦合制氢，使风机全转速运行范围内的电能全部转换，实现能量的转换和储存。非并网风电制氢可以采用直流电，避免了交流电上网带来的相位差和频率差等问题，也省去了并网所需的如交流变压装置和滤波装置等大量辅助设备，简化了控制系统，预计可比并网机组成本降低30%以上。目前AEC技术成熟且成本较低，我国相关技术和产品基本处于国际先进水平，但其不足是，电解机理要求阳阴极两侧压力必须时刻保持平衡（以防止氢、氧混合造成装置难以快速启停及制氢负荷无法快速调节）、电流密度偏低及装置体积大；SOEC技术是固体氧化物燃料电池（SOFC）技术的逆过程，可在400~1000°C下实现高效电氢转换，提升了电解速率，降低了能耗，且不需要使用贵金属催化剂，但投资成本高，在材料和电堆结构设计等方面还有待突破，目前处于实验研发阶段；PEMEC技术是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的逆过程，对功率变化响应速率快且负荷范围宽，相比其他两种技术可以更好地适应可再生能源的波动性。
2电力制氢优势
第一，能够很好地解决发电运行中存在的问题。一系列弃风等行为造成的弃电，这是有效促进电解水制氢技术的动力，基于可再生资源储备而言，针对资源较多的地区，可为其配备相应的电解槽制氢装置，从而更好地处理发电运行中的一系列问题，促进环保措施的有效运用。第二，科学消纳可再生能源。想要制造低成本氢，需要获得低成本电力的支持，如此才能实现电解槽长期运行。伴随太阳能和风力的开发，其发电成本越来越低，在日后发展中，可再生能源平价发展，能够为电网电力制氢奠定夯实基础。第三，达到能源有效利用。根据成本及环保方面来看，借助可再生能源开展电解水制氢，不但能够促进氢能低成本发展，实现大规模制备，还能更好地处理碳排放问题，促进清洁能源合理应用。
3水分解制氢
3.1碱性水电解制氢
AWE制氢技术，是石棉隔膜将槽体分为阴阳两室，两个电极置于其中，电极一般采用镍基材料，电解槽内填充碱性电解液，一般为NaOH或KOH水溶液（质量分数为20-30%）。当在电极两端施加电压时，电流会从两电极间流过，水在阴极被还原成氢气，在阳极上氧化产生氧气。AWE制氢技术的优点是市场化成熟、制氢成本低，操作简单、运行寿命长，缺点是电解效率低，碱性电解槽无法快速启动，并且加载响应速度慢，通常需要降低电压，增大电流来提高转化效率。
3.2质子交换膜电解水制氢
PEM电解水技术与AWE制氢技术的区别在于，质子交换膜技术采用高分子聚合物阳离子交换膜代替了碱性电解水槽中的石棉隔膜，同时质子交换膜电解水槽一般采用纯水作为电解质溶液。AWE电解水装置的优点是：1）质子交换膜可以隔绝氢气和氧气，保证了安全性和产物纯度；2）膜的厚度小，使其结构更加紧凑；3）电解液为纯水，反应产物不含碱雾。
3.3固体氧化物电解水制氢
SOEC是一种在高温状态下电解水蒸汽的制氢技术，电解槽的基本结构包括阴极、阳极和电解质层。阴极通常使用Ni负载的氧化锆（YSZ）多孔陶瓷，阳极为含稀土元素的钙钛矿（ABO3）氧化物，电解质为氧离子导体。工作时水从阴极侧进入电解槽，发生还原反应生成氢气和O2-，O2-通过电解质层进入阳极侧，发生氧化反应生成O2。
3.4热分解
热分解或热化学分解水是将水加热至高温直至分解为氢和氧的过程。该过程原理虽然很简单，但水需要在2500℃以上的温度才会分解。由于可持续热源无法实现这么大的一次能源消耗，因此科学家提出了几种热化学分解水循环，以降低温度并提高整体效率。热化学循环由不同温度下的一系列化学反应组成，通过该过程，热量以氢的形式转化为化学能，热化学循环以Cu-Cl循环和SnO2/SnO循环最为重要。
4电解水制氢技术的应用展望
绿色氢气的生产只能通过可再生能源电解水制氢来实现。由于其可扩展性和潜在的高效率，质子交换膜电解水制氢已被证明是未来大规模生产绿色氢的首选技术。预计到2030年，质子交换膜电解水制氢技术将成为主导的制氢技术之一。PEM电解槽结构紧凑，相同制氢规模下，系统质量不到碱性电解槽的1/10，未来将在家庭、移动及临时应用等场景的可持续产氢中发挥关键作用；还可用于航空和太空探索，显著减少航空对气候的影响。PEM电解槽的产氢纯度高、氢气输出压力高，适合作为发电厂发电机组所需冷却介质氢气的供应源，并且动态响应速度快，能实现实时连续自动补气，有利于发电机组的稳定运行。2019年国际能源署预测，到2040年，全球将增加近5700GW的可再生能源电力容量。PEM电解水制氢系统启停和动态响应速度快，是应对可再生能源发电的间歇性和大规模储能需求的不二之选，且该技术产氢压力高，可降低后续储氢的能耗。可供选择的可再生能源发电方式中，除太阳能发电和陆地风力发电外，海上风力发电技术非常适合与PEM电解水制氢技术耦合实现绿色制氢。首先，在水和土地资源至关重要的情况下，海洋环境避免了缺水或土地使用的问题；其次，海上风力发电运行时间长，可实现连续制氢。以海上风力发电作为动力输入PEM电解水制氢系统进行连续绿色制氢，再将氢气掺入天然气输送管道（氢气掺杂比例可达20%），不仅可降低氢气运输的成本，还可减少天然气燃烧的碳排放。实现从清洁电力到清洁气体能源转化及供应过程的零碳排放与清洁能源的就地完全消纳。
结束语
目前，中国正构建清洁低碳高效、以新能源为主体的新型电力系统。但像太阳能、风能这类新能源发电具有间歇性、多变性和不确定性，解决的最好办法是就地开发与消纳。氢是一种洁净的二次能源载体，通过电解水制氢技术将电能与氢能绿色、高效转换，新能源发电将以氢能形式储存或利用，以此实现新能源就地开发与消纳。
参考文献
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[3]李昕桐.随车电解水制氢掺氢系统设计及性能仿真研究[D].大连理工大学,2021
[4]俞红梅,邵志刚,侯明,衣宝廉,段方维,杨滢璇.电解水制氢技术研究进展与发展建议[J].中国工程科学,2021,23(02):146-152.
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