9月14-16日，由中国汽车工程学会与国际氢能燃料电池协会（筹）共同主办的第五届FCVC大会于上海汽车会展中心召开。中国科学院大连化学物理研究所研究员、高效电解制氢研究组长俞红梅到场并发表了以质子交换膜电解水制氢技术为主题的演讲，以下为文字实录：

　　从宏观讲，由远即近，现在在这里都要讲氢，大家都有共识。现在的氢有不同的颜色，有灰氢、蓝氢、绿氢，分别从哪儿来？燃料电池我们用的氢大多数工业副产氢，开始用的时候我们先解决燃料电池车的“温饱”问题，先有燃料，燃料至于是不是灰氢、绿氢、蓝氢，对这个行业发展是不是好我们顾及不到。我们现在用工业副产氢，燃料电池发展到一定程度的时候，我们才考虑我们氢的颜色是不是对，现在感觉正在从灰氢向蓝氢过渡，绿氢是回归我们做氢燃料电池的一个根本，我们初心就是不要碳排放，最终目标是用绿氢。

　　以我们现在的需求来讲，我们做科研，要讲需求。2020年，今年新冠肺炎疫情以来，我们可以罗列出这样一些动态，比如说国际上可再生能源署NEA发表的最新的想法是到2030年可再生能源在全球电力份额应增加一倍以上，但增加一倍实际上在全球是一个比较虚无缥渺的概念，在我国实际上目前可再生能源并不能完全的利用，所以说这个可再生能源怎么利用，对我们来说是一个问题。

　　再看欧盟委员会，欧盟委员会对这个氢能源给予了格外关注，尤其后疫情时期对经济恢复、氢能源恢复是很大的支持。再到欧盟国家，比如荷兰单独到2025年就要达到300GW，葡萄牙这些不太大的国家也对氢能倾注比较大的热情。

　　我们最关注的几个国家之一—德国，今年提出对氢能相关给予20亿欧元的支持，其中6.5亿欧元用于氢能源和燃料电池供热系统，特别是把绿色氢用于储物燃料电池以外工业，包括刚才提到的钢铁以及化工工业，用这样一个技术取代目前的灰氢和蓝氢。现在争议到2030年电解的装置容量到底3-5GW还是10GW，实际上已经不是一个量级差别，已经到GW级别，到2030年，对电解装机容量是非常大的需求。

　　更具体一点，欧洲的氢能组织，提出欧盟两个40千瓦的行动，整个贯彻以后，绿氢成本在2025年与低碳蓝氢相当，我本人和团队对价格并不是特别敏感，但从整个宏观趋势来讲，我们可以看到，绿氢成本处于不断下降趋势之中。从电解制氢来讲，特别是PEM电解制氢压力比较高，目前水解制氢1兆帕或者2个兆帕，3兆帕或者更高，PEM电解制氢，除了压力对这几种储氢方式哪种有用，我们看高压运行，要到20个兆帕，也就是200公斤，氢气管道也要到几个兆帕，PEM电解制氢不经过氢气撞压就可以进去，中间环节省掉。

　　液氢一方面要低温，这方面也需要降压，储氢材料需要换热也有一定压力。有机储氢是需要温度的，同时需要一个加氢和脱氢反应器，我们化工的人知道特别是加氢反应器肯定不想压进去，因此高压也是有好处的，进入天然气管道往往用户担心掺氢的问题，目前国际上发展水平最高的德国，到今年零碳天然气管道铺设了20%。

　　上面提到的德国氢气管道这个设想是可再生能源，另外一个例子则是沙特太阳能发电，也是用电解制氢做氢气的输送，但值得注意的是，沙特已经建立纯氢气管道，这个纯氢气管道将来做基础设施建设的时候，是否可能作为一个新的氢气的方式，这是一个值得可以探讨的课题。再看我们国家，简单举一个例子，2018年可再生能源电量达到一千亿千瓦时，因为可再生能源装机量受到限制，前面按照欧盟理事会来讲，可再生能源翻番也是一个问题。

　　我从互联网上找到这样一个算法，有人计算，目前的氢气的价格在不计算碳排放的前提下，我们可以看到，最贵的还是电解制氢，其次是蓝氢、天然气制氢。我们目前用电网电解技术还没有经过技术的产业化推动，因此是比较基本的一个价格。回归到技术层面，现在可以用的几个电解技术的对比，大规模的碱水电解，现在市场化前期是PEM电解，我们看这样一个区别，PME优势除了纯水之外电流密度比较高，现在电流密度可以到正常操作1到2每平方米，碱水电解我了解国内是四百毫安每平方米。从这个电流密度上来讲，我们可以看到设备的投资，以及占地面积。以往在沙漠这种地广人稀的地方是无所谓的，但是如果将来国内能开拓现场制氢，比如说加氢站可以，占地面积成为了一个比较重要的因素。SOEC这个吸引人的地方是效率比较高，但是目前因为高温操作，所以它与可再生能源的结合还是有一点难度，我们看一下，近期从2019年我们可以看到的PEM电解商业化产品，以前的商业化产品都是小型的，PME电解十年前它的规模大概一个小时也就是三十立方米，那时候大家还没有大规模发展氢能，也没有大规模可再生能源制氢的需求，最近几年发展比较快，有很多家推进兆瓦级的制氢，日立造船就有兆瓦的制氢产品，和二氧化碳结合做化学品，东芝H21已经作为应急电源使用，从这个角度更多了一个用途作为储能。氢储能，这是一个概括全球代表性PME制氢和能耗，能耗代表技术水平比较重要的指标，这个能耗和操作电流密度有关，如果操作电流密度很低，能耗也是比较低，国内单堆兆瓦产品还没有出来。

　　从技术分析来讲，这个是2018年底我们做的一个检索，用这个SPE或者PEM作为检索词我们做了一个专利分析，取专利授权人士国籍，取前三百项，日本专利还是占了一半，其他是欧盟，中国占比较少，在10%左右，从技术上来讲PME电解看起来和燃料电池特别像，加电把纯水分解成氢和氧。

　　它和燃料电池不同在哪儿？一个是氧还原反应，一个氢氧化反应，说起来差一个字但是电位差很多开路电压是1.0多一点，电解单节电压如果电解水出气泡起始电压一般超过1.49伏以上，电解里对材料要求比2.0高。包括催化剂、单电池、电解槽、制氢机，整个制氢机有要求作用。到底贵在哪儿，虽然我们做研究和做产品不太一样，但是从材料的消耗和加工费来讲，我们可以看到大部分的电堆成本，目前来看主要在流产和双极板，这个成本比较贵，其次是膜电极，膜电极在燃料成本里相对比较高的，值得注意的是PEM电解里面的不管是双极板还是电极。

　　我们借用美国DOE结果，对比2014年和2019年两个时间段PEM电解成本和技术水平分析，我认为比较值得注意是这样几个数据，左边数据是分散制氢，右边是集中制氢，整个里面的电流密度我们可以看到，2010年的时候分散制氢的电流密度1.5安培每平方厘米，2019年是2安培每平方厘米，单电压提升的不高，1.84伏到1.9伏。预期我们可以看到最右边数据，2040年希望到3安培，和1.5安培单面积电流密集增加一倍，这个数据相对比较保守一点，电流密度是一个能耗的制约条件，但是如果可再生能源这个风电和光电大幅度来袭的时候，我们需要把这个电消耗掉，还是说把电存起来，这个需要宏观的估算。

　　再看一下产氢的压力，相对比较高，这里单位是PSI是英制单位，在2019年产氢压力是21兆帕，基本上可以直接加到这里面，到2040年预计产氢压力700PS1，相当50兆帕，这样氢气压缩的压力就小得多。

　　我再简单跟大家汇报一下我们的工作，我们工作主要有这样几方面，一个是催化剂，它决定电解成本和效率。目前来讲，我们要求是在高电压下要稳定，1.8伏以上稳定，这个我们是以1为主的多元化物。

　　另外一个是质子交换膜，和燃料电池很相近，但是燃料电池我们追求越来越薄，电解薄是一个希望，但是不能太薄，太薄氢气氧气的渗透可能是一个问题，这里面有一个平衡，另外一个电解一一种操作是等压操作，还有一种操作是差压操作，差压操作会达到几百兆帕以上，电解和燃油电池不一样，可靠性比燃油电池好。

　　另外一个核心部件是膜电极，既有大电流又有高电压，我们罗列了一下这个国际上的几个机构的一个电解催化剂的研究进展，因为实际这个装堆的可能比这个高得多，我们研究进展可以看到，如果到零点几毫克也是有可能的，但目前这个数据没有放大，如果放大的话，据我了解，现在这几家公司用到电堆上的催化剂都是毫克级的，到十分之一、五分之一下降多少这个我们值得商量。

　　究竟怎么提高性能，因为时间关系就不讲了，还有一个核心部件双极板，燃料电池里面可以用碳板，但电解里不能用碳板，会被氧化，还是要被氧化，金属表面要处理，板的要求也是特别高，通过这样一个组合可以做适合可操作能源的PEM电解槽，两面跟踪的速度达到比较快，用这样一些技术在我们化物所完成几代的研发，以前谈到大连化学物理研究所，大家了解的就是燃料电池，这个电解对于民用电解产品2010年开始到现在正好十年，2010年给中海油提供一立方米的制氢机，质保过程中表现还是不错的。

　　我们有基础，今年又中标安徽兆瓦级的加氢站，这个到明年年底应该是能安装到位，所以到时候也欢迎各位去到安徽电网去看一下。

　　PME电解加燃料电池我们可以回答，我们开始做燃料电池经常有人问我们一个问题，你们燃料电池通俗的话讲，燃料车过来是集中扔垃圾，我们希望没有垃圾让地球保持绿色，我的报告就这样，谢谢各位。

　　整理：李沛洋