碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下PEM電解水制氫研究進(jìn)展

胡兵，徐立軍，何山，蘇昕，汪繼偉

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

能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，當(dāng)前人類使用的主要為化石能源?；茉吹氖褂脦?dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，同時(shí)也造成嚴(yán)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(dòng)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(lái)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(duì)溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候問(wèn)題，聯(lián)合國(guó)提出目標(biāo)是21 世紀(jì)末將全球溫度上升控制在1.5℃。我國(guó)提出力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，充分展現(xiàn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)分類，制氫技術(shù)可分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛鋪?lái)源于化石能源，占全部氫氣的95%以上，其制備過(guò)程必然有碳排放。藍(lán)氫是天然氣或甲烷重整后通過(guò)碳捕捉、碳封存等技術(shù)進(jìn)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(guò)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(lái)的理想能源，而綠氫是氫能的最終狀態(tài)。

可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能等）具有波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，若大規(guī)模并網(wǎng)將影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。氫能作為重要的二次能源，具有能量密度高、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。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(guó)清潔能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)?？稍偕茉粗茪涞陌l(fā)展將減少碳排放，必然助力碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)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(xiàng)目發(fā)展，總結(jié)目前研究存在的主要矛盾和未來(lái)發(fā)展方向。最后對(duì)可再生能源PEM 電解水制氫未來(lái)發(fā)展進(jìn)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(jiǎn)要介紹不同制氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)，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(guó)能源具有“富煤、貧油、少氣”的特征，2020 年中國(guó)煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量56.8%。煤的清潔高效利用符合我國(guó)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(shì)，但是由于原料中含有雜質(zhì)，制氫波動(dòng)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(jìn)行氫氣提純。天然氣制氫可追溯到20世紀(jì)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(duì)比見表1所示，天然氣制氫技術(shù)成熟，各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(duì)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(guò)程中產(chǎn)生含有氫氣的混合氣，通過(guò)分離提純技術(shù)實(shí)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(rèn)為是在綠氫普及之前的過(guò)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(guó)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(guò)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(shì)在于成本。但電解水制氫具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、氫氣純度高等優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(dòng)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(dòng)慢等劣勢(shì)嚴(yán)重限制其應(yīng)用場(chǎng)景。PEM 制氫技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、電流密度高、波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)。

表3 電解水制氫技術(shù)對(duì)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(jìn)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(kuò)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(xué)法。生物質(zhì)制氫具有來(lái)源廣泛、綠色可持續(xù)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但是同時(shí)存在技術(shù)不成熟、制氫效率低等缺點(diǎn)，制約該技術(shù)的發(fā)展。目前生物質(zhì)制氫依然停留在實(shí)驗(yàn)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(guò)程中存在較大程度的碳排放，通過(guò)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(jìn)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(wèn)題。電解水制氫原料為水，產(chǎn)出氫氣和氧氣，過(guò)程綠色無(wú)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(fēng)、棄光、棄水等能源結(jié)合，可降低電解水制氫的成本，同時(shí)提升可再生能源消納能力。從碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)來(lái)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(dòng)工況等優(yōu)點(diǎn)，能夠與可再生能源很好地結(jié)合，對(duì)消納可再生能源和可再生能源存儲(chǔ)具有重要意義，必將助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

2 PEM電解水制氫

PEM電解槽內(nèi)電化學(xué)過(guò)程見圖1所示，純水通過(guò)進(jìn)水通道進(jìn)入催化層，在直流電源和催化劑的共同作用下，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣和氫離子，氫離子穿過(guò)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(guò)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(dòng)，是未來(lái)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(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)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(kuò)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(duì)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(jì)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(wèn)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(yùn)行過(guò)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(diǎn)。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(guò)Pt 對(duì)Ti 涂層進(jìn)行表面改性，可達(dá)到與鈦基雙極板同樣的性能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將Pt涂層換成價(jià)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(dá)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(dòng)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(jì)、雙極板制造材料等方面來(lái)展開對(duì)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(chǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)未來(lái)雙極板研究方向進(jìn)行展望，為雙極板材料的研究和流場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供參考。預(yù)計(jì)雙極板金屬材料及其涂層的研究仍然是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，流道的設(shè)計(jì)側(cè)重于流場(chǎng)布局，便于膜中水的均勻分布，同時(shí)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(lái)的成本因素，研究集中在減少貴金屬催化劑的負(fù)載量、使用非貴金屬代替貴金屬催化劑。分析當(dāng)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(zhǔn)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(guò)程中，由于陽(yáng)極處于強(qiáng)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(jì)未來(lái)一定時(shí)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(jì)與合成也將是研究熱點(diǎn)。

2.3 擴(kuò)散層

擴(kuò)散層的研究主要集中在擴(kuò)散層涂層工藝及其材料的研究，擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化、擴(kuò)散層的水管理研究等方面，以提高擴(kuò)散層的導(dǎo)電性能、機(jī)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(yáng)極擴(kuò)散層，可以有效提高擴(kuò)散層的導(dǎo)電能力、機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)性能和抗腐蝕性能。為了研究氣體擴(kuò)散層空間變化特性對(duì)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(rùn)濕性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者分布的空間變化會(huì)影響陰極氣體擴(kuò)散層和催化劑層內(nèi)部液態(tài)水的飽和度分布。文獻(xiàn)[29]從氣體擴(kuò)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(kuò)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(xiàn)[30]根據(jù)PEM 電解槽氣體擴(kuò)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(jì)，總結(jié)了微孔層的潤(rùn)濕性及其對(duì)排水的影響，總結(jié)了氣體擴(kuò)散層的耐久性設(shè)計(jì)，表明氣體擴(kuò)散層的穿孔可以改善其去水效果，需要對(duì)新型微孔層材料的實(shí)用性和耐久性進(jìn)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(xiàn)[32]綜述了以采用預(yù)處理、摻入增強(qiáng)劑、納米復(fù)合材料、共混物、離子液體等手段來(lái)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(duì)其性能有相當(dāng)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(jī)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(wèn)題，文獻(xiàn)[33]使用無(wú)氟聚合物有效解決該問(wèn)題。預(yù)計(jì)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，質(zhì)子交換膜的研究側(cè)重于膜的改進(jìn)、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(dá)峰與碳中和目標(biāo)實(shí)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(shí)現(xiàn)資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步減少碳排放和制氫成本。當(dāng)前成熟的可再生能源制氫主要為太陽(yáng)能制氫和風(fēng)電制氫，實(shí)現(xiàn)可再生能源多能互補(bǔ)制氫也是提高可再生能源利用率的重要舉措。

3.1 太陽(yáng)能制氫

我國(guó)太陽(yáng)輻射總量等級(jí)圖見圖3所示，太陽(yáng)能最豐富帶、很豐富帶、較豐富帶分別占全國(guó)的22.8%、44%和29.8%，最豐富帶太陽(yáng)能輻射年總量高于1750kWh/m，但是我國(guó)太陽(yáng)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(yáng)能輻射年總量低于1050kWh/m，年平均輻照低于120W/m。可以看出，太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電呈現(xiàn)波動(dòng)性、間歇性特點(diǎn)。且受區(qū)域分布和消納能力限制，棄光問(wèn)題突出。

圖3 全國(guó)太陽(yáng)輻射總量等級(jí)

將太陽(yáng)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(wèn)題，提高可再生能源利用率。為適應(yīng)光伏的波動(dòng)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(dòng)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(lái)的功率損失和成本問(wèn)題，通過(guò)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏制氫安全運(yùn)行和功率直接匹配的目標(biāo)。

圖4 PV-逆變器耦合PEM制氫

圖5 PV直接耦合PEM制氫

為實(shí)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(shí)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(guò)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(duì)太陽(yáng)能光伏PEM 電解系統(tǒng)的瞬態(tài)行為，Sharifian 等在動(dòng)態(tài)負(fù)載情況下，利用MATLAB 開發(fā)一種光伏耦合PEM 電解槽的動(dòng)態(tài)模型，探索輸入功率波動(dòng)對(duì)PEM 電解槽性能的影響。為研究太陽(yáng)能PEM 電解制氫系統(tǒng)性能，Ganjehsarabi在當(dāng)?shù)卮髮W(xué)地區(qū)內(nèi)開展太陽(yáng)能PEM 電解制氫系統(tǒng)可行性研究，發(fā)現(xiàn)開發(fā)太陽(yáng)能高壓PEM 電解槽制氫具有很大潛力。為了評(píng)估分布式可再生能源制氫的潛力，通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法可對(duì)光伏PEM 制氫系統(tǒng)的能量、經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)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(xiàng)目FH2R在福島Namie啟動(dòng)，項(xiàng)目包括20MW光伏和10MW制氫裝置，氫氣生產(chǎn)速度達(dá)到1200m/h。2021 年全球最大的太陽(yáng)能電解水制氫項(xiàng)目在我國(guó)寧夏正式投產(chǎn)，該項(xiàng)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(dá)到44.5萬(wàn)噸，技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2021年6月22日張掖市光儲(chǔ)氫熱產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目正式動(dòng)工，由中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)承建，該項(xiàng)目完成后，全容量投產(chǎn)的情況下，每年減排可達(dá)到155萬(wàn)噸。2021年11月30 日我國(guó)首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)的太陽(yáng)能光伏制氫項(xiàng)目在新疆庫(kù)車正式開工建設(shè)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)綠氫2萬(wàn)噸。

3.2 風(fēng)電制氫

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，年有效風(fēng)能功率密度和風(fēng)速在3～25m/s，風(fēng)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(dá)0.8 以上。但是“三北”地區(qū)的風(fēng)為冬季風(fēng)、春季風(fēng)，容易受季節(jié)、氣象因素影響，導(dǎo)致風(fēng)電也呈現(xiàn)出波動(dòng)性、間歇性的特征。同時(shí)受用電負(fù)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(fēng)問(wèn)題存在，浪費(fèi)風(fēng)電資源。

將風(fēng)電與PEM 電解水制氫結(jié)合，分為并網(wǎng)風(fēng)電PEM 制氫（圖7）和離網(wǎng)風(fēng)電PEM 制氫。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電過(guò)剩時(shí)，可以將棄風(fēng)發(fā)電用于氫儲(chǔ)能，電力不足或者電力波動(dòng)性大時(shí)，可以通過(guò)燃料電池或氫燃汽輪機(jī)發(fā)電，起到削峰填谷作用，增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和最大限度的利用可再生能源。風(fēng)電的波動(dòng)性嚴(yán)重影響電解水制氫系統(tǒng)的性能，Muyeen等采用10 個(gè)不同容量的電解制氫裝置，通過(guò)調(diào)整不同制氫裝置的啟停來(lái)平滑風(fēng)電出力，實(shí)現(xiàn)不采用昂貴的儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，整體性能明顯提升。Sarrias-Mena 等考慮波動(dòng)風(fēng)速、波動(dòng)功率、不同溫度、壓力對(duì)PEM 制氫設(shè)備運(yùn)行的影響，提出四種不同的PEM 電解水制氫與風(fēng)電耦合運(yùn)行模型，系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行效果良好，得到風(fēng)電制氫是棄風(fēng)風(fēng)電利用的理想選擇結(jié)論。對(duì)于離網(wǎng)風(fēng)電PEM 制氫，Carr 等利用PEM 電解槽能夠運(yùn)行在低功率條件下的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的風(fēng)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(dòng)態(tài)模型。設(shè)計(jì)了最大功率追蹤控制算法，采用格拉摩根大學(xué)風(fēng)電制氫場(chǎng)的歷史風(fēng)電數(shù)據(jù)確定風(fēng)電制氫系統(tǒng)潛在的產(chǎn)量。為分析風(fēng)電制氫電源變化對(duì)產(chǎn)氫量的影響因素，通過(guò)分析風(fēng)電特性，搭建獨(dú)立風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電制氫模型，可以得出風(fēng)電輸出功率變化對(duì)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(fēng)電PEM制氫

在風(fēng)電制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性研究方面，針對(duì)陸上風(fēng)電成本對(duì)制氫成本影響的問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電成本占制氫成本比例較大，在商業(yè)可行的風(fēng)電制氫地點(diǎn)，陸上風(fēng)力發(fā)電成本為0.55～0.56CNY/kWh，在經(jīng)過(guò)儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用均攤后，可再生氫供應(yīng)成本為34.27～37.50CNY/kg。為此降低風(fēng)電成本、制氫成本、氫能儲(chǔ)運(yùn)成本是風(fēng)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(fēng)電制氫項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫項(xiàng)目，包括200MW 風(fēng)電場(chǎng)和10MW 制氫設(shè)備，項(xiàng)目完成后可實(shí)現(xiàn)年制氫1.752×10m，目前為世界裝機(jī)容量最大的風(fēng)電制氫項(xiàng)目。近些年海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目發(fā)展勢(shì)頭同樣猛烈，荷蘭的NortH項(xiàng)目計(jì)劃在2030年和2040年分別達(dá)成3～4GW 和10GW 的海上風(fēng)電裝機(jī)容量，項(xiàng)目完成后可年產(chǎn)80 萬(wàn)噸綠氫，是全球最大的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目。

3.3 可再生能源多能互補(bǔ)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(jìn)行有效整合，使用電-氫作為多能互補(bǔ)的基礎(chǔ)，如圖8所示，將風(fēng)能、太陽(yáng)能等不同形式的可再生能源通過(guò)電-氫互補(bǔ)，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(chǔ)存提供新的途徑。

圖8 可再生能源多能互補(bǔ)制氫

在可再生能源多能互補(bǔ)研究方面，風(fēng)光互補(bǔ)占有一席之地，研究人員發(fā)現(xiàn)光伏和風(fēng)電具有季節(jié)性互補(bǔ)特性，如圖9 所示。春季和秋季（3 月～5 月，9 月～11 月）風(fēng)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(fēng)電容量因子，而在冬季（12月～來(lái)年2月）風(fēng)電容量因子則大于光伏容量因子，季節(jié)性互補(bǔ)特性在冬季和夏季更加明顯。通過(guò)將風(fēng)電和光伏互補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)全年容量因子變化幅度明顯降低，說(shuō)明可再生能源多能互補(bǔ)技術(shù)能有效抑制可再生能源功率波動(dòng)。

圖9 風(fēng)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(dòng)較大，在并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，可再生能源多能互補(bǔ)是平抑功率波動(dòng)的有效方式之一。采用譜分析方法探索風(fēng)電和光伏發(fā)電的波動(dòng)特性的內(nèi)部基本規(guī)律，給出風(fēng)能和太陽(yáng)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(fēng)光互補(bǔ)的理論基礎(chǔ)，通過(guò)案例研究，驗(yàn)證風(fēng)光互補(bǔ)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(yuǎn)低于煤制氣。

Wang 等提出一種多能互補(bǔ)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(yàn)證其可靠性。隨著多能互補(bǔ)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(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(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(guò)搭建實(shí)物模型來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性。

多能互補(bǔ)制氫研究主要側(cè)重于多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行策略控制、儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化。面對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的社會(huì)效益問(wèn)題，在分析新能源發(fā)電、調(diào)頻、負(fù)荷及二級(jí)市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和效益的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建風(fēng)光儲(chǔ)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(chǎng)結(jié)構(gòu)。隨著多能互補(bǔ)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，多能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，文獻(xiàn)[58]針對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)問(wèn)題，開發(fā)了一個(gè)交易能源機(jī)制支持的能源共享策略，研究發(fā)現(xiàn)在多能互補(bǔ)的共享模式下，能源效率提高，成本降低，且隨規(guī)模擴(kuò)大而更加明顯。文獻(xiàn)[59]基于Wasserstein 方法和改進(jìn)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(biāo)對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析。多能互補(bǔ)容量配置優(yōu)化同樣是研究重點(diǎn)，基于互補(bǔ)保證率（CGR）和累計(jì)時(shí)間比例（CTP）的最優(yōu)容量決策方法可有效優(yōu)化風(fēng)-光綜合能源系統(tǒng)，光伏和風(fēng)電最佳容量比為0.744 和0.256。文獻(xiàn)[61]以低成本、高收入和高效率為目標(biāo)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)綜合系統(tǒng)的容量進(jìn)行粒子群多目標(biāo)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)通過(guò)減少集熱器面積和增加儲(chǔ)罐容量可降低發(fā)電成本。

在多能互補(bǔ)制氫產(chǎn)業(yè)研究方面，2018 年歐盟BIG HIT 項(xiàng)目在Kirkwall 啟動(dòng)，該項(xiàng)目通過(guò)風(fēng)能和潮汐能進(jìn)行PEM電解水制氫，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2021 年中國(guó)能建與內(nèi)蒙古鄂爾多斯簽署1000MW風(fēng)電、5000MW光儲(chǔ)一體化項(xiàng)目投資開發(fā)框架協(xié)議，與新疆巴音郭楞簽署8000MW風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化項(xiàng)目開發(fā)框架協(xié)議，與青海海西州簽署4000MW風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化項(xiàng)目投資合作框架協(xié)議，加強(qiáng)多能互補(bǔ)基地建設(shè)。國(guó)電電力計(jì)劃在2025年內(nèi)建成投產(chǎn)內(nèi)蒙古鄂爾多斯“風(fēng)光火儲(chǔ)氫”綜合能源項(xiàng)目，項(xiàng)目包括1000MW 風(fēng)電、2650MW光伏、480MW 儲(chǔ)能。國(guó)家電投在柴達(dá)木盆地德令哈的“多能互補(bǔ)”項(xiàng)目，項(xiàng)目包括2000MW 光伏、200MW風(fēng)電、880MW儲(chǔ)能，具有較好的示范效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)實(shí)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(dāng)前的主要制氫方式，進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，認(rèn)為可再生能源與PEM 電解水制氫為碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)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(gè)角度展開綜述，分析了技術(shù)進(jìn)展、研究熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并提出展望。分析得出當(dāng)前二者結(jié)合主要問(wèn)題為PEM 電解槽成本問(wèn)題、可再生能源發(fā)電成本問(wèn)題，以及二者耦合制氫、多能互補(bǔ)制氫的技術(shù)問(wèn)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(fù)載量，開發(fā)低成本長(zhǎng)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(jìn)一步開展核心技術(shù)攻關(guān)，解決制約風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源能源發(fā)電的瓶頸問(wèn)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(dòng)的電力電子器件，開展PEM 制氫設(shè)備的寬功率波動(dòng)適應(yīng)性研究，探索大容量、低成本適應(yīng)可再生能源波動(dòng)的PEM 制氫設(shè)備，以適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞男枨蟆?/p>

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