电解水制氢技术主要有碱性水电解（Alkaline Electrolyzer, AE）制氢技术、质子交换膜水电解（Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME）制氢技术和固体氧化物水电解（Solid Oxide Electrolyzer, SOE）制氢技术。
从发展历程来看，碱性水电解在20世纪前后开始实现碱性水电解制氢技术的工业化应用，在经历了单极性到双极性、小型到大型、常压型到加压型、手动控制到全自动控制的发展历程后，碱性水电解制氢技术已逐步进入成熟的工业化应用阶段。20世纪70年代起，质子交换膜水电解制氢技术开始获得发展，并以其制氢效率高、设备集成化程度高及环境友好等特点成为水电解技术的研究重点，逐步实现从小型化到兆瓦级的发展。
目前，PEME制氢技术的瓶颈在于设备成本较高、寿命较低，且实际的电解效率还远低于理论效率（其制氢效率潜力有望超出AE制氢技术），因此欧美发达国家正重点开展技术攻关以突破技术瓶颈，实现PEME制氢技术的更大发展。SOE制氢技术采用水蒸气电解，高温环境下工作，理论能效最高，但该技术尚处于实验室研发阶段。
目前，美国、日韩和欧洲均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向，聚焦AE制氢技术规模化和PEME制氢技术产业化，重点围绕“电解效率”、“耐久性”和“设备成本”三个关键降本性能指标推进整体技术研发，电解水制氢成本结构与关键技术分析如图1所示。
图1电解水制氢成本结构与关键技术分析
美国在2011年就制定了电解水制氢技术路线图，如图2所示，以2.3美元/kg制氢成本为目标，设定了系统电解效率大于或等于75%，电解槽电解效率大于或等于77%，系统投资成本0.5$/kg的发展目标。
在技术路线上，以PEME技术攻关为主，AE和SOE等多种电解水技术并行发展。在技术开发上，PEME制氢技术具体则侧重质子交换膜、贵金属催化剂等关键核心材料研究，以获得更高的电解效率与寿命；同时，开展低担载量纳米贵金属催化剂、非贵金属催化剂等的研究开发，AE制氢技术，重点推进高温碱性电解水装置的开发，推进高效率研究。
图2美国电解水制氢技术关键指标目标
欧洲在2013年制定了电解水制氢技术路线，同样以PEME技术为主、多种电解技术协同发展，技术关键指标目标如图3所示。其中，2023年的技术目标为：电解能耗≤50(kWh)/kgH2@1000kg/d、电解槽效率年衰减量小于1%（额定功率下年操作时间8000h）、设备投资成本小于1.5M/(t/d)。
PEME技术方面，欧洲一方面通过催化剂和电解质膜等关键基础材料的研究与开发，提高电解效率，聚焦MW级系统设计，降低设备投资成本；另一方面则建立PEME技术的性能评价与劣化评价体系，科学开展技术的系统经济效能评价。AE制氢方面，欧洲进行了高温与高压兼容性碱性电解水装置的开发，并通过优化外围设备和操作条件，进一步提高制氢效率。
图3欧盟电解水制氢技术关键指标目标
日本在2014~2018年通过氢气利用等先驱研发项目和氢社会构建技术研发项目，着力推动碱性电解水装置开发，尤其是2000Nm3/h大规模电解槽技术。2019年，日本通过对标美国与欧洲电解水技术开发路线，制定了AE与PEME水电解技术10年技术攻关目标，注重电堆反应机理和耐久性评价方法与标准化研究，并根据可再生能源发电量预测、电力供需调整、氢气需求等各种信息，进行系统层级优化，提高电流密度、效率和耐久性，相关技术关键指标目标如图4和图5所示。
总的来说，各国均对AE、PEME制氢技术同时进行技术开发。其中，AE方面，近期以优化提升制氢效率与装置规模放大为主要目标进行技术攻关。
PEME方面，欧美国家持续开展技术攻关，将其视为下一代主流电解水制氢技术，通过催化剂、隔膜、集电器、膜组件等核心材料和组件的研究及应用，提高设备的电解效率和使用寿命，降低设备成本等。
同时，欧洲开展了电解水制氢装备性能评价与劣化评价的研究，在电解水制氢技术发展中具有重要意义。日本在吸收美国与欧洲电解水制氢技术路线的基础上，着力聚焦AE与PEME的技术开发，制定了最全面的技术目标。
图4 日本碱性电解水制氢技术目标
图5日本质子交换膜电解水制氢技术目标
本文编自2022年第11期《电工技术学报》，论文标题为“碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析”。本课题得到了国家重点研发计划、国家能源集团科技创新项目和国华投资公司科技创新项目（碳中和愿景下公司氢能发展路径研究）资助的支持。
