犀牛雖體型笨重、反應遲緩，可一旦它向你狂奔而來，便會使你猝不及防。氫能就被認為最有可能成為新能源革命的“犀牛”。而要想養肥這頭“犀牛”，如何實現規模化工業制氫就成為能源界關注的焦點。
實際上，包括海水在內的水資源就是地球上最大的“氫礦”，電解水制氫被認為是製備氫氣的有效方法。而針對可再生能源面臨的時空波動性和併網困難等問題，利用光伏發電、風電和水電等可再生能源大規模製備氫氣被認為是一條理想途徑。
但受現有電解水制氫技術的制約，實施上述途徑面臨諸多挑戰。如何在可再生能源規模化電解水制氫生產中實現“大規模”“低能耗”“高穩定性”三者的統一？被列為2020年重大工程技術難題之一。
最大優勢是產生“綠氫”
氫不但可以直接作為能源使用，在石化工業中也有著重要的用途，被譽為未來世界能源架構的核心。中國科學院院士、中國石油勘探開發研究院副院長鄒才能表示，中國是全球最大的新能源消費國，2018年消費量4.8億噸油當量，佔世界總消費量的23%。利用新能源規模化低成本電解水制氫，將是未來氫能產業發展的戰略方向。
然而，目前商用氫氣96%以上是從化石燃料中製取，伴隨制氫會排放大量CO2，這類氫氣也被稱為“黑氫”。而可再生能源電解水制氫最大的優勢是可以達到“零碳排放”，產生的氫為“綠氫”。
中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員李燦告訴《中國科學報》，利用可再生能源規模化電解水製取“綠氫”，一方面可極大地消除氫氣生產過程中的碳排放問題，構建真正潔淨的新型能源體系；另一方面可將間歇、不穩定的可再生能源轉化儲存為化學能，實現持續穩定的能源供給。
而為了實現《巴黎協定》規定的將氣候變暖限制在2℃以下這一目標，就需要在2050年在全世界實現淨零碳排放。通過利用可再生能源製取“綠氫”，構建零碳排放的能源利用體系，在業內看來，這所帶來的生態環境和經濟效益是難以估量的。
“目前，可再生能源電解水制氫產能規模已經從每小時幾十方提升到上千方，可以逐步滿足規模化工業需求。而隨著電催劑技術的進步，能量轉換效率還將大幅提升。”李燦告訴記者，傳統工業電解水裝置能量效率約50%~70%，最新技術已將工業電解水的能量轉化效率進一步提高到80%以上。
三大要素缺一不可
要想實現減排汙染物和二氧化碳的初衷，就需要發展綠色氫能並實現工業化應用，工業化應用的前提就是“大規模”。在李燦看來，由於現行工業設備單臺製氫規模較小、制氫效率低、投資成本高，“規模化”就成為工業化電解水制氫的必要條件。
而在規模化條件下提高效率是一大挑戰。“由於‘綠氫’與‘黑氫’的商業化競爭在於制氫成本，成本又與電解水制氫的效率和耗電量直接相關，這就需要研發更高活性的電催化劑技術。因為只有實現‘低能耗’制氫，‘綠氫’才能被市場所接受。”李燦說。
不僅如此，可再生能源的間歇特性，對電解水制氫催化劑及其系統技術也提出了更為嚴苛的穩定性要求，因為需要在間歇變化的條件下仍能穩定工作，才能實現“低能耗”“規模化”生產綠氫。所以，在李燦看來，對於可再生能源規模化電解水制氫，“大規模”“低能耗”和“高穩定性”三大要素缺一不可。
李燦指出，要想實現這三者的統一，就需要研發新型電極催化技術、先進的隔膜和電解槽組件技術及其系統工程技術，才能克服電解水電極催化劑活性低、能量轉化效率低等關鍵技術問題。具體如：在低電壓下增大產氫電流密度、降低制氫能耗；提升穩定性、擴大單體設備制氫規模等，都是需要克服的工程技術難題。
值得關注的是，目前，電解水制氫均採用純度較高的淡水為原料，若全球需氫量劇增，用豐富的海水資源直接製備氫氣也被工業界十分看好。在李燦看來，電解海水同樣必須實現“大規模”“低能耗”和“高穩定性”，才能實現工業化應用。目前，淡水條件下的電解水技術將為海水電解水制氫奠定基礎，從技術發展的態勢看，實現海水電解水制氫勢在必行，技術上也完全可行。
鄒才能評價道，聚焦可再生能源“大規模”“低能耗”“高穩定性”電解水制氫，實現可再生能源消納與電解水制氫結合，對構建“清潔低碳、安全高效”能源體系，形成氫氣工業體系，建設“氫能中國”，保障國家能源安全具有重大意義。
