化 2022 年第 41 卷第 9 期 工 进 展 Chemical Industry and Engineering Progress ■ক ■■■■ক 特约评述 · 4595 · ■ক DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2464 ■■■■ক 碳达峰与碳中和目标下 PEM 电解水制氢研究进展 胡兵 1，徐立军 2，何山 3，苏昕 2，汪继伟 1 （1 新疆工程学院控制工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2 新疆工程学院新疆煤矿机电工程技术研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830023；3 新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023） 摘要：氢能作为重要的能源载体，燃烧过程绿色无污染，能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石 能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式，分析各制氢方式的优缺点，阐述了质子交换膜 （PEM） 电解水 制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从 PEM 电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述， 详细介绍了 PEM 电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文 中通过分析我国太阳能、风能分布特征，总结可再生能源利用存在的问题，从研究现状和产业发展的角度介绍了 太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源 PEM 电解水制氢的未来发展方向 进行了展望，期望为可再生能源 PEM 电解水制氢的发展提供借鉴和参考。 关键词：碳达峰；碳中和；质子交换膜；电解水制氢；可再生能源；多能互补 中图分类号：TK91 文献标志码：A 文章编号：1000-6613 （2022） 09-4595-10 Researching progress of hydrogen production by PEM water electrolysis under the goal of carbon peak and carbon neutrality HU Bing1，XU Lijun2，HE Shan3，SU Xin2，WANG Jiwei1 (1 Institute of Control Engineering, Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi 830023, Xinjiang, China; 2 Xinjiang Coal Mine Mechanical and Electrical Engineering Technology Research Center, Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi 830023, Xinjiang, China; 3 School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830023, Xinjiang, China) Abstract: As an important energy carrier, hydrogen energy boasts a green and pollution-free combustion process, which can help achieve carbon peak and carbon neutrality goals. This paper analyses the advantages and disadvantages of each hydrogen production method by comparing hydrogen production methods such as fossil energy hydrogen production, industrial by-product gas hydrogen production, and water electrolysis hydrogen production, and explains the significance of combining PEM water electrolysis hydrogen production with renewable energy. It then describes the internal structure of PEM electrolyzers and hydrogen production from renewable energy sources, and introduces research progress, main problems and future development trends of PEM electrolyzer bipolar plates, catalysts, diffusion layers, and proton exchange membranes in detail. By analyzing the distribution characteristics of solar energy and wind energy in China, and summarizing the existing problems in the utilization of renewable energy, the 收稿日期：2021-12-01；修改稿日期：2022-01-26。 基金项目：国家自然科学基金 （51967020）；乌鲁木齐市优秀青年科技人才项目；新疆维吾尔自治区自然科学基金 （2021D01A66）；自治区区域协 同创新专项 （科技援疆计划，2021E02044）。 第一作者：胡兵 （1985—），男，硕士，副教授，主要研究领域为可再生能源能量优化、储能系统建模等。E-mail: hb2003042121@163.com。 通信作者：徐立军，博士，教授，硕士生导师，主要研究领域为氢能技术及其应用。E-mail: xulijun612@163.com。 引用本文：胡兵, 徐立军, 何山, 等 . 碳达峰与碳中和目标下 PEM 电解水制氢研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(9): 4595-4604. Citation：HU Bing, XU Lijun, HE Shan, et al. Researching progress of hydrogen production by PEM water electrolysis under the goal of carbon peak and carbon neutrality[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(9): 4595-4604. · 4596 · www.hgjz.com.cn 化工进展，2022，41（9） development of solar hydrogen production, wind power hydrogen production, and renewable energy multi-energy complementary hydrogen production is introduced from the perspective of research status and industrial development. Finally, the future development direction of renewable energy PEM water electrolysis hydrogen production is prospected, and it is expected to provide reference for the development of renewable energy PEM water electrolysis hydrogen production. Keywords: carbon peak; carbon neutrality; proton exchange membrane (PEM); water electrolysis hydrogen production; renewable energy; multi-energy complementary 能源是人类社会生存和发展的基础，当前人类 使用的主要为化石能源。化石能源的使用带动了经 济社会的快速发展，同时也造成严重的环境污染及 CO2 的排放。大量温室气体排放造成全球温度升 高，海平面上升，导致大量动植物面临灭绝[1-2]。 为此人类迫切需要用清洁可持续的绿色低碳能源来 代替化石能源的使用，减少环境污染和温室气体排 放。为应对温室气体排放导致的气候问题，联合 国 提出目标是 21 世纪末将全球温度上升控制在 1.5℃ 。我国提出力争在 2030 年前实现碳达峰，争 [3] 取在 2060 年前实现碳中和的目标，充分展现了我 国经济社会绿色、清洁发展的决心。 氢气目前主要应用于化工原料、分布式能源及 燃料电池汽车等领域。按照碳排放量的不同来分 类，制氢技术可分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢来源 于化石能源，占全部氢气的 95% 以上，其制备过 程必然有碳排放。蓝氢是天然气或甲烷重整后通过 碳捕捉、碳封存等技术进行处理的氢气，但碳捕 捉、碳封存技术成本较高。绿氢是可再生能源通过 电解水方式制备的氢气，其制备成本主要由可再生 能源的成本决定。氢能是未来的理想能源，而绿氢 是氢能的最终状态。 可再生能源 （如风能、太阳能等） 具有波动 性、间歇性的特点，若大规模并网将影响电网的安 全稳定运行。氢能作为重要的二次能源，具有能 量密度高、绿色无污染等优点。若使用可再生能源 电解水制氢，不仅为可再生能源消纳提供新的方 1 制氢方式 在氢能利用途径中，制氢是前提，目前全世界 存在的主要制氢方式有化石能源制氢、工业副产气 制氢、电解水制氢、光分解水制氢和生物质制氢， 以下将简要介绍不同制氢方式的优缺点，探讨与可 再生能源的最佳结合方式。 1.1 化石能源制氢 作为最主要的制氢方式，全球化石能源制氢占 制氢总量的 96%，其中烃类制氢和煤制氢是化石能 源制氢的主要组成部分[4]。化石能源制氢技术有煤 气化制氢、烃类重整制氢、烃类部分氧化制氢和烃 类催化裂解制氢等方法[5]，主要以煤气化制氢和天 然气重整制氢为主。我国能源具有“富煤、贫油、 少气”的特征，2020 年中国煤炭消费占能源消费 总量 56.8% [6]。煤的清洁高效利用符合我国能源特 征，