1研究背景
随着全球气候问题日益严峻，世界上越来越多的国家意识到为了人类赖以生存的家园必须处理好气候变暖问题。氢能由于其无污染、单位质量高、能量密度高、可储存性好而成为世界上发展新型能源的首选;具有可再生性和广泛来源的特性。现阶段，世界氢能需求量仅为七千万吨/年，在以后的5年时间内，估计其数量将会以年均4%～5%的速率上升。据国际能源署预判，截止2025年全球精制工业、运输业、建筑、人造能源工业对氢的需求将分别增至3500万吨、200万吨、330万吨和1亿吨。另外，据世界氢能理事会预测，到2030年，世界上的氢气生产将达到1.1亿万吨，比2020年提高了64个百分点;并且预测到2030年，将会在全球范围内投入500亿美元以上的资金。据预测，2050年，氢能将占全国总能耗的十分之一，逐步替代汽油、柴油，推动第三次能源变革。
当前我国以天然气和煤炭为原料生产氢气为主，生产过程中会有大量CO2产生，属于“灰氢”，在“双碳”的大环境下，“绿氢”是当前业内公认的发展趋势，也就是在生产氢气时不会产生CO2。现在“绿氢”技术的发展方向，就是利用电解水制氢，以电能为动力，用电极将水分子转换为氢、氧。电解水制氢的主要制造装置是电解槽，根据电解液的性质将电解液分成三大类型:AWE、SOEC和PEM，3种电解槽的基本性能比较见表1。
目前，碱性和PEM两种电解槽已经商业化或正在商业化，固体氧化物电解槽还处于实验阶段，还没有商业化。因此，本文着重从理论上分析了两种已经商业化的电解槽，并定量地分析了这两种不同的制氢方法。
2碱性电解槽和质子交换膜电解槽原理分析
2．1碱性电解槽
碱槽生产氢气的历史较早，由TROOSTWIJK和DIEMANN于1789年提出，由于起步较早、发展时间较长、商业化较早，因此这一技术更为成熟。目前，人们普遍相信碱性电解池具有更高的安全性和更高的使用年限，可以达到15年，而且它的应用领域更广泛;转换效率一般在42%～78%之间。在过去的数年中，碱性电解槽的发展主要在以下两方面实现了较好的进展:改良过后的碱性电解槽的转化效率获得了一定的提升，因此从降低成本方面有效减少了其与电能消耗相关的运作成本;而改良的碱性池则能增加操作电流，从而降低其投入成本。碱性电解槽的工作机理如图1所示。
碱性电解槽是由两个电极和一个气体隔离的薄膜构成，该薄膜以一种石棉为主体，其功能是阻止氢与氧的混合物。总成浸泡于20%～30%的KOH电解质中，使其具有最高的电导性，或用NaOH与NaCl的混合物代替电解质。当蓄电池工作时，在65～100℃时，在阴极进行了一次还原，并在负极上形成了一个氢和OH-，OH-离子经膜片进入到阳极，在阳极上进行了氧化，形成了氧和水。在大量生产氢气时，采用碱性电解池比较合适，一些厂家制造的高容量(500～760Nm3/h)的碱式电解池，对应的功率消耗在2150～3534kW之间。
事实上，为避免生成易燃气体混合物，碱性电解槽中氢的产量一般会限制为额定范围的25%～100%，允许通过的最大电流密度约为0.4A/cm2，工作温度为5～100℃，最大电解质压力接近2.5～3.0MPa。当电解压力过高时会导致明显的投资成本增加，同时有害气体混合物的形成可能性也显著增大。在没有附加提纯设备的情况下，在碱式电解池中，其氢气的纯度高达99%。在碱式电解池中，电解质的纯度要求不超过5S/cm，以保证电极的安全性。
总而言之，碱制氢技术已较为成熟、投入少、操作成本较高;但存在着碱损耗、侵蚀、能源消耗大的问题。
2．2质子交换膜水解槽(PEM)
美国通用公司在1966年首次以聚乙烯薄膜制成质子交换膜，下文中的PEM电解槽正是在此基础上发展起来的。1978年，美国通用电器把PEM电解池商业化。而截至目前，该企业所生产的PEM电解槽数量依然较少，这主要是由于至今PEM电解槽氢生产能力仍然有限，寿命较短，设备投入成本极高。PEM电解槽通常为双极性，使用双极片进行电连接，而双极片在放电过程中扮演着重要角色。所述装置包括阳极、阴极和通常由铂或铱构成的电极组合物(MEA)。在阳极中，水被分解为氧、电子和质子。在阴极，由阳极生成氧、电子和质子，通过膜的循环，最后变成氢气。PEM电解槽的工作原理如图2所示。
PEM电解槽常用于制造小规模的氢，它的最大产氢容量为30Nm3/h，功率为174kW。结果表明，PEM电解槽的氢气产量基本涵盖了总配额的全部产量。PEM电解槽的工作性能优于碱性电解槽，其工作效率为48%～65%。由于主要成分为聚合物的换热器的耐高温性能较差，所以PEM电解槽的设计温度通常低于80℃。德国Hoeler电解槽有限公司也已研发出了面对小型PEM电解槽的表面优化工艺。PEM电解槽最大的优点是可以随着能量的供给而变化，尤其适用于对大量氢气的需求。Hoeller公司的电解槽，能够在几秒钟内响应0～100%的额定负载的电流变化。该专利技术现在正在进行验证测试，该公司于2020年底建造并完成了测试设备。
PEM电解工艺生产的氢含量高于99.999%，其纯度比常规碱性电解法高出许多。另外，由于聚合物质子交换膜膜的极低气体渗透性大大减少了形成易燃混合物的危险性，也因此使得PEM电解槽能在极低的电流密度下正常工作。但是，必须保证电解液的导水性小于1S/cm。由于聚合物薄膜上的质子流能快速地响应能量的变化，PEM能够适应多种电源方式。虽然PEM已商业化，但其缺点也很明显，其原因在于高的制造成本，以及薄膜及贵金属的制造费用。另外，PEM电解槽的寿命比常规的碱性电解槽要低。为了增强市场竞争能力，今后PEM电解槽的生产能力必须得到极大的提升。
3碱性电解槽与PEM电解槽成本分析
与其他新技术类似，绿色氢气正在从一个重要的研究开发到一个新的发展时期。绿色氢气液化气的生产成本分为三大部分:电解槽生产成本、再生电能成本以及其他运营成本。总体而言，绿色氢气的LCOH大约是1/4，而电力则是更大的一部分(大约3/4);操作成本支出比较低，一般不超过5%。
3．1碱性电解槽
常规的碱式电解池生产的费用与其生产的氢气容量相关，生产容量愈大，生产费用愈高。目前国内市场上的碱性电解设备，每个设备的生产效率为10～10000Nm3/h，生产费用为100000～10000000美元。现在，一组设备可产生100万吨/h的氢，每小时70000～100000元。从目前市场上各大碱槽厂的价格来看，该装置的产氢量与其生产费用有较好的线性相关性，如下所示。
从成本构成来看，电力消耗是最大的，折旧费用次之，这两项因素所占工程造价的比例超过90%。由于人工维护费用和原材料费用都属于硬性支出，想要降低氢气的生产成本，还需要降低发电成本和折旧率。
由于目前国内电力以燃煤为主，如果采用电力系统发电，其CO2排放远高于煤气等，无法适应目前“双碳”政策，必须将电解液与太阳能、风电等可持续发展相融合，以实现节能与环保。根据国家发改委的《中国2050年光伏发展展望(2019)》中的预测，至2035年和2050年，光伏发电成本相比当前预计约下降五成和七成，达到0.2元/kWh和0.13元/kWh。
当电价下降的时候，电解制氢的费用就会下降，而电费的比重也会相应的下降。每千瓦时每降0.1元，氢气就会减少0.5元/千瓦时。假定我国对太阳能发电技术的电价预测较为精确，那么到2035至2050年间，电价将达到60%，而在2050年左右，其制氢费用将达到1.67元/Nm3和1.32元/Nm3，与当前生产成本最低的煤制氢企业相比，已有37%和50%的差距。假定今后再加上相关的国家补贴，电解法的制造费用可能与矿物燃料制氢气相比，或更少。
3．2质子交换膜电解槽
按照张轩等人的计算，目前PEM水解槽生产的氢气费用为每公斤40元左右，具体如下。
目前PEM电解槽的制氢成本比碱性电解槽的制氢成本还高，主要由于PEM电解槽的原材料价值过高，造成每年的折旧成本太高，从而提高了制氢成本。机械和装备的折旧占了四成，电力也占据了近半，因此要想减少设备的成本，就得从这两个角度入手。
当电费下降时，发电费用占总费用的比例逐渐降低，而氢的费用则逐步降低。当电费分别为0.13元/kWh和0.2元/kWh时，氢气成本分别为2.4元/Nm3和2.71元/Nm3，成本占比分别为24%和33%。与碱槽法生产的氢气成本比较，存在一定的差异，其原因是:PEM的成本过高，而折旧费用过高。
由于电解槽生产成本的降低，氢气生产成本和折旧在生产成本中的占比都将进一步降低，假设其余情况保持稳定，至2030年和2050年，PEM电解槽设备成本为1600万元和500万元，氢气成本分别为2.86元/Nm3和2.31元/Nm3，设备折旧在成本中的占比分别为30%和13%。尽管价格相对于目前的市场基准已经有所下降，但和传统碱性电解槽比较并不存在价格优势。
尽管从中期来看，PEM电解槽的成本较高，但是到了2040年以后，由于成本下降，其生产费用将逐步下降，到2040年后将会逐步下降。
4我国未来发展趋势
利用风电、光伏和水电等可再生资源生产氢气，当价格低于0.25元/kWh时，其生产费用将会产生较好的效益(每千克15.3～20.9元)。用碱和PEM电解法生产氢气的技术和经济效益详见表4。
电解制氢成本计算方法见式(1)和式(2):
LCOE=固定成本/(制氢量×寿命)+运行成本 (1)
运行成本=制氢耗电量×电价+水价+设备维护成本(2)
以碱性电解法及PEM电解法(1000Nm3/h)为实例，假定工程的整体使用年限为20年，工作年限为9万h，其中的固定成本包括电解槽、氢气纯化装置、材料费;如工程建设、调试咨询费等，电解液的单价为每千瓦0.3元，其费用的核算方法详见表5。
与其它氢气生产模式相比，当可再生能源发电价格降低到0.25元/千瓦时时，绿色氢气的价格将下降到15元/千克，从而具备了价格上的优越性。在碳中和的大环境下，可持续发展的电力系统将会降低发电费用、大规模生产氢气、降低电解池的能耗、降低建设投资、降低碳税等相关的税收;绿色氢气成本降低道路将逐步清晰。而常规的氢气生产过程中，会掺杂大量的碳、硫、氯等相关的杂质，再加上提纯、CCUS等费用，其生产成本将达到20元/kg。
与其它资源比较，当前绿色氢气的生产费用比较昂贵，并且需要一定时间来减少生产费用。预计在未来十年内，我国风电、光伏的新增装机总量分别为50GW/年和70GW/年，可再生能源成本也将下降，部分地区甚至可能低于平价上网。“十四五”时期，我国可再生资源的平均上网价格有望下降到0.25元/千瓦时，相应的绿色氢气价格也将下降到15元/千克。
未来，由于其规模和关键核心技术的国内技术的突破，可以大大减少电解水槽的制造费用。到2030年，我国的碱性电解槽生产企业的生产费用将由现在的2万元/千瓦降低到700～900元/千瓦;其中，以百万千瓦为单位的PEM装置，其初期投资将由现在的8000元/千瓦降低到2030～6700元/千瓦，2050年将下降到630～1450元/kW。所以，"十四五"中国的环保氢的总成本将会降低到20元/公斤;未来我国将重点发展可持续发展的可再生资源，绿色氢气的综合制造成本有望降低至每千克10元。
而PEM的生产成本与碱性电解槽比较，其生产费用也比较高;但是，由于氢能产业的迅速发展，对氢的需求量和科技水平的不断提升，使得PEM电解槽的生产费用不断降低，加之可持续发电的发电费用不断降低，同时也会产生更多的氢量，因此，PEM电解槽制氢的生产费用将比碱法生产的低。如果考虑到使用区域(即土地成本)，PEM具有更加紧凑的构造形式，在相同容积下，PEM的占地仅为碱工厂的一半，而在高成本、低能耗和高反应速度下，PEM的优越性尤为突出;高负荷条件下，PEM电解法有望在未来的发展中作为一种新型的水解制氢技术。
5结语
伴随政府“双碳”政策措施的持续实施和深入，可再生能源(如光伏、风电等)发电生产成本的下降，氢燃料电池在汽车行业的规模化应用和氢能交易市场的逐步形成，社会金融市场对氢气的需求将呈爆发式增长，尽管常规的化石原料所制造的“灰氢”在中短期内仍将占有市场主流，但采用环保的“绿色”能源来电解水制氢将是未来中国低碳经济的主流方向，同时也是中国氢能工业蓬勃发展的必然趋势。“绿氢”成本也必将随着氢能的推广和技术的进步下降到可接受的水平，电解水会成为氢气的主要来源，氢能社会的最终目标也终将实现。