12月4日，美国能源部（DOE）发布《氢计划：水电解技术评估》报告，详细阐述通过电解技术降低清洁氢生产成本的途径。该报告指出，电解技术有潜力实现DOE氢计划（Hydrogen Shot™）的目标，即将清洁氢的生产成本降低至每公斤1美元。报告详尽阐述了实现这一目标所必须采取的创新路径与技术突破，包括制造能力提升、技术效率优化以及综合能源系统的改进。
具体来看，该报告分析了五种电解槽技术。其中，质子交换膜电解槽（PEM）商业化程度高，已用于大规模制氢；碱性电解槽（ALK）是最成熟的电解槽技术，已部署容量最大；氧离子传导固体氧化物电解槽（O-SOEC）处于商业化初期，已在美国开始示范；阴离子交换膜电解槽（AEM）是一种有潜力的技术，但商业化程度低；质子传导固体氧化物电解槽（P-SOEC）是一种低温替代O-SOEC的技术，但商业化程度低，仍在研发中。
报告使用2020年美元为基准，并主要关注制氢成本，不包括储存等其他成本。三种商业化程度最高的电解槽技术的当前成本分别为：在使用电网电力时，PEM每千克氢气成本为6.00-7.20美元，ALK每千克氢气成本为5.00-5.50美元；在使用电网电力和天然气供热时，O-SOEC每千克氢气的成本为7.00-8.00美元。
报告指出，为了实现美国能源部提出的“111”计划目标，需要通过技术进步、制造规模化、清洁能源系统集成以及其他方面的努力，大幅降低清洁氢气的生产成本，使其成为未来清洁能源体系的重要组成部分。
技术进步
降低材料和设备成本
PEM电解槽：重点关注降低贵金属催化剂（铂和铱）的负载量，开发更薄、性能更优异的膜材料，以及采用更经济的双极板和多孔传输层材料。ALK电解槽：研发新型隔膜材料和高活性、高利用率的非贵金属催化剂。探索新的电池和电堆设计，以提高电流密度并降低欧姆电阻。O-SOEC电解槽：开发低成本的互连材料和制造工艺，并探索降低操作温度以减少热管理成本。AEM电解槽：开发高导电率、耐用且稳定的阴离子交换膜和离聚物，以及高活性、高利用率和耐用的非贵金属电极。P-SOEC：开发稳定、高效且机械强度高的电解质材料，并改进氧电极性能。
提高效率和性能
所有电解槽技术：提高电解槽的能量转换效率，以减少单位氢气生产所需的电力消耗。PEM电解槽：优化多孔传输层设计，以提高传质效率。ALK电解槽：改进电池设计和组件集成策略，优化气泡管理，以降低欧姆电阻。O-SOEC和P-SOEC：提高热集成水平，以利用外部热源并提高系统整体效率。
延长使用寿命
所有电解槽技术：提高电解槽的耐用性和使用寿命，以降低维护和更换成本。PEM电解槽：开发加速应力测试，以快速评估材料和组件的耐用性。优化膜/催化剂层/多孔传输层界面，以提高稳定性和抗降解能力。ALK电解槽：探索新的电池设计和材料，以提高在动态操作条件下的耐用性。O-SOEC：降低操作温度，减少电极污染和互连材料的降解。开发加速应力测试，以识别提高寿命的机会。AEM电解槽：研究支持电解质的作用和降解机制，探索消除电解质的可能性。P-SOEC：开发耐高温、高湿和氧化还原环境的电解质材料。
制造规模化和经济效益
扩大制造能力
大幅提升所有电解槽技术的制造规模，以降低制造成本并实现规模经济。
改进制造工艺
所有电解槽技术：采用自动化制造工艺，提高生产线速度，实施严格的质量保证和质量控制，以提高生产效率并降低制造成本。PEM电解槽：推广卷对卷制造技术，以快速生产催化剂涂层膜和基材。ALK电解槽：开发或验证零间隙和新兴电池设计的制造技术，以缩短加工时间。O-SOEC：减少烧结和互连材料加工的热处理步骤，并以连续工艺替代批处理工艺。
清洁能源系统集成
与可再生能源直接耦合
所有电解槽技术：将电解槽直接连接到风能、太阳能、水力发电和地热能等可再生能源，以利用低成本的现场电力。PEM电解槽和ALK电解槽：针对可再生能源的波动性和间歇性，开发和优化电解槽的动态运行能力，例如快速响应负载变化和启动/停止循环。
与核能集成
O-SOEC和P-SOEC：将电解槽与核电站集成，可以利用核能产生的高温热量来提高效率并降低成本。开发和优化电解槽的热集成系统设计，以最大限度地利用核能的热能。
优化运行策略
所有电解槽技术：开发混合能源系统，结合多种清洁能源和储能系统，以提高电解槽的容量系数。PEM电解槽、ALK电解槽和O-SOEC：优化运行策略，例如在电力价格低廉时增加制氢量，在电力需求高峰时减少制氢量，以降低运营成本。
其他研发方向
降低「软成本」
除了硬件和运营成本外，还需要关注与电解槽部署、安装和整体能源系统集成相关的“软成本”，例如场地准备、土地、许可证、调试和运输等。通过优化系统设计、模块化和标准化组件以及简化安装流程，可以降低这些成本。
生命周期分析
对不同电解槽技术进行全面的生命周期分析，以评估其环境影响，包括温室气体排放、水消耗和其他环境问题。这将有助于确定最可持续的制氢技术路线。
来源：氢能联盟CHA
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