碳達峰與碳中和目標下PEM電解水制氫研究進展

胡兵，徐立軍，何山，蘇昕，汪繼偉

（1 新疆工程學院控制工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2 新疆工程學院新疆煤礦機電工程技術研究中心，新疆烏魯木齊 830023；3 新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830023）

能源是人類社會生存和發展的基礎，當前人類使用的主要為化石能源。化石能源的使用帶動了經濟社會的快速發展，同時也造成嚴重的環境污染及CO的排放。大量溫室氣體排放造成全球溫度升高，海平面上升，導致大量動植物面臨滅絕。為此人類迫切需要用清潔可持續的綠色低碳能源來代替化石能源的使用，減少環境污染和溫室氣體排放。為應對溫室氣體排放導致的氣候問題，聯合國提出目標是21 世紀末將全球溫度上升控制在1.5℃。我國提出力爭在2030年前實現碳達峰，爭取在2060 年前實現碳中和的目標，充分展現了我國經濟社會綠色、清潔發展的決心。

氫氣目前主要應用于化工原料、分布式能源及燃料電池汽車等領域。按照碳排放量的不同來分類，制氫技術可分為灰氫、藍氫和綠氫。灰氫來源于化石能源，占全部氫氣的95%以上，其制備過程必然有碳排放。藍氫是天然氣或甲烷重整后通過碳捕捉、碳封存等技術進行處理的氫氣，但碳捕捉、碳封存技術成本較高。綠氫是可再生能源通過電解水方式制備的氫氣，其制備成本主要由可再生能源的成本決定。氫能是未來的理想能源，而綠氫是氫能的最終狀態。

可再生能源（如風能、太陽能等）具有波動性、間歇性的特點，若大規模并網將影響電網的安全穩定運行。氫能作為重要的二次能源，具有能量密度高、綠色無污染等優點。若使用可再生能源電解水制氫，不僅為可再生能源消納提供新的方式，而且大幅度降低制氫成本，符合我國清潔能源轉型的目標。可再生能源制氫的發展將減少碳排放，必然助力碳達峰和碳中和目標實現。本文全面梳理PEM 燃料電池電解槽研究及可再生能源制氫項目發展，總結目前研究存在的主要矛盾和未來發展方向。最后對可再生能源PEM 電解水制氫未來發展進行展望，為氫能綠色發展提供思路和參考。

1 制氫方式

在氫能利用途徑中，制氫是前提，目前全世界存在的主要制氫方式有化石能源制氫、工業副產氣制氫、電解水制氫、光分解水制氫和生物質制氫，以下將簡要介紹不同制氫方式的優缺點，探討與可再生能源的最佳結合方式。

1.1 化石能源制氫

作為最主要的制氫方式，全球化石能源制氫占制氫總量的96%，其中烴類制氫和煤制氫是化石能源制氫的主要組成部分。化石能源制氫技術有煤氣化制氫、烴類重整制氫、烴類部分氧化制氫和烴類催化裂解制氫等方法，主要以煤氣化制氫和天然氣重整制氫為主。我國能源具有“富煤、貧油、少氣”的特征，2020 年中國煤炭消費占能源消費總量56.8%。煤的清潔高效利用符合我國能源特征，煤氣化制氫是目前工業制氫技術中最成熟的制氫方法之一。煤氣化制氫技術在成本、技術、規模等方面具有優勢，但是由于原料中含有雜質，制氫波動大、產氫效率低且含有大量雜質氣體，需要額外的工藝進行氫氣提純。天然氣制氫可追溯到20世紀20 年代，分為蒸汽重整、部分氧化、催化裂解和自熱重整四種方法，其技術對比見表1所示，天然氣制氫技術成熟，各有優缺點。在節能減排的大環境下，為了降低化石能源制氫的碳排放，提出碳捕集和碳封存技術，但是受限于碳捕集和碳封存成本較高的原因，該技術未得到大范圍推廣。

表1 天然氣制氫技術對比

1.2 工業副產氣制氫

工業副產氣制氫將煉焦、氯堿、甲醇等生產過程中產生含有氫氣的混合氣，通過分離提純技術實現氫氣的回收。在節能減排的背景下，工業副產氣回收制氫被認為是在綠氫普及之前的過渡階段，不僅可以降低氫氣生產成本，還可以減少能源消耗。表2總結比較了我國工業領域產氣量最大的5類副產氣制氫方法，其生產工藝根據副產氣種類的不同而不同。

表2 副產氣匯總表[8]

1.3 電解水制氫

目前只有4%的氫氣是通過電解水制氫獲得。與傳統化石能源制氫技術相比，電解水制氫技術最大的劣勢在于成本。但電解水制氫具有工藝簡單、無污染、氫氣純度高等優勢，能夠很好地與可再生能源結合，從而大幅度降低制氫成本，因此綠氫是氫能的最終形態。電解水制氫主要有三種方式，分別為堿性電解水制氫（alkaline water electrolyzer，AWE）、PEM電解水制氫、固體氧化物電解水制氫（solid oxide electrolyzer，SOE），其技術性能對比見表3。AWE制氫是目前規模最大、商業化程度最高的電解水制氫技術，然而其受限于電流密度低、動態響應差，導致其產氫速率低、與可再生能源適配性差。SOE制氫效率最高，但其所需高溫條件和啟動慢等劣勢嚴重限制其應用場景。PEM 制氫技術具有結構緊湊、電流密度高、波動適應性強等優點，使其更加適應可再生能源出力特征。因此PEM制氫技術在可再生能源結合方面更具優勢。

表3 電解水制氫技術對比

1.4 其他制氫方式

1.4.1 光分解水制氫

光分解水制氫技術分為光電催化制氫技術和光催化制氫技術。光電催化制氫技術是一種依靠半導體吸收可見光產生電荷進行電解水制氫的技術，該技術主要受半導體電荷傳輸效率和可見光的吸收效率的影響，制氫效率不同。光催化制氫技術是電子和空穴在空間上分離并擴散到半導體表面，分別發生析氫反應、析氧反應，最終將水分解產氫。該技術受半導體的吸光范圍、吸光效率、光生載流子遷移分離能力等因素的影響，制氫效率和產氫量有所不同。

1.4.2 生物質制氫

生物質制氫有兩種方法，分別是生物法和化學法。生物質制氫具有來源廣泛、綠色可持續、對環境友好等優點。但是同時存在技術不成熟、制氫效率低等缺點，制約該技術的發展。目前生物質制氫依然停留在實驗室階段，尚未大規模商業化應用。

在上述制氫方式中，化石能源制氫效率高、成本低，但制氫過程中存在較大程度的碳排放，通過碳捕捉或者碳封存的方式，可以最大限度地減少碳排放，然而碳捕捉和碳封存成本較高，進一步提高了制氫成本。工業副產氣制氫利用工業廢氣提純制氫，最大限度地利用資源和能源，但是存在提純工藝復雜、產氫純度不高等問題。電解水制氫原料為水，產出氫氣和氧氣，過程綠色無污染，但是該制氫方式能量消耗大，若與可再生能源中的棄風、棄光、棄水等能源結合，可降低電解水制氫的成本，同時提升可再生能源消納能力。從碳達峰、碳中和目標來考慮，可再生能源電解水制氫是最理想的制氫方式。在可再生能源電解水制氫的三種方式中，PEM 電解水制氫具有響應速度快，制氫壓力大，適應寬功率波動工況等優點，能夠與可再生能源很好地結合，對消納可再生能源和可再生能源存儲具有重要意義，必將助力碳達峰、碳中和目標實現。

2 PEM電解水制氫

PEM電解槽內電化學過程見圖1所示，純水通過進水通道進入催化層，在直流電源和催化劑的共同作用下，陽極產生氧氣和氫離子，氫離子穿過質子交換膜與陰極的電子結合產生氫氣。PEM 電解水制氫純度較高，僅存在少量水蒸氣，經過干燥后可直接用于燃料電池。PEM 電解槽結構緊湊，能快速適應輸入功率波動，是未來可再生能源制氫的重要技術路徑。

圖1 PEM電解水制氫原理圖

PEM電解槽結構組成見圖2所示，PEM電解槽主要由雙極板、多孔擴散層、質子交換膜、陰陽極催化層組成。電解槽中各組成部分決定PEM 電解水制氫的成本和設備壽命。雙極板、膜電極、催化劑成本分別占PEM 電解槽總成本的48%、10%、8%，PEM 電解槽的研究集中在降低PEM 電解槽壽命、優化雙極板表面工藝、提高催化劑活性、改善擴散層結構、提高質子交換膜壽命等方面。

圖2 PEM電解槽結構示意圖

2.1 雙極板

雙極板成本占PEM電解槽總成本的48%，控制PEM 電解槽成本需要優先控制雙極板成本。對雙極板的研究主要集中在極板材料、極板涂層、極板流道設計優化上。PEM 電解槽雙極板材料主要包括石墨材料、金屬材料和復合材料。石墨材料導電性能優異，但是材料較脆；復合材料性能優異，但是受限于成本問題；金屬材料導電性能好、易于加工，是目前最常用的雙極板材料。但是金屬材料雙極板在PEM電解槽運行過程中，容易腐蝕金屬，造成PEM 電解槽污染。目前的解決方法是在雙極板表面添加涂層。

近些年貴金屬涂層的研究成為熱點。為降低PEM 雙極板的成本，提高抗腐蝕能力，采用熱噴涂技術在不銹鋼雙極板上噴涂Ti 涂層，通過Pt 對Ti 涂層進行表面改性，可達到與鈦基雙極板同樣的性能。進一步研究發現，將Pt涂層換成價格更低的Nb 涂層，可維持相似的電解性能。采用低氧化鈦（TiO）涂層鈦（Ti）雙極板，可降低接觸電阻，達到與platinum plating 同樣的性能。PEM電解槽與質子交換膜燃料電池（PEMFC）有很多相似之處，PEMFC 的技術發展能帶動PEM 電解槽的發展，Teuku 等從PEM 電解水制氫電解槽的雙極板設計、雙極板制造材料等方面來展開對低溫PEM 電解水制氫電解槽雙極板的綜述，最基本的雙極板材料是奧氏體不銹鋼和鈦，最受歡迎的涂層是氮化鈦。Song等以雙極板材料為區分，綜述現有雙極板制備方法，總結目前常用的流場設計，對未來雙極板研究方向進行展望，為雙極板材料的研究和流場的設計提供參考。預計雙極板金屬材料及其涂層的研究仍然是未來一段時間內的研究熱點，流道的設計側重于流場布局，便于膜中水的均勻分布，同時防止水淹。

2.2 催化劑

PEM電解槽成熟的商業催化劑大多采用Ir、Pt系列催化劑，為減少貴金屬帶來的成本因素，研究集中在減少貴金屬催化劑的負載量、使用非貴金屬代替貴金屬催化劑。分析當前PEM電解槽催化劑開發中面臨的挑戰，提出了開發具有低堆積密度的高結構催化劑的途徑，其催化效率比商業基準催化劑略有提高。有研究人員發現非貴金屬磷化鈷應用于商用PEM 電解槽，在相同的操作條件下，比鉑基PEM 電解槽性能好且穩定。然而在PEM 電解過程中，由于陽極處于強酸環境，非貴金屬易與酸性根離子結合而降低質子傳導能力，因此非貴金屬催化劑研發難度大，預計未來一定時期內催化劑材料主要側重研究新型低銥（Ir）材料及其制備工藝，非銥（Ir）基催化劑的設計與合成也將是研究熱點。

2.3 擴散層

擴散層的研究主要集中在擴散層涂層工藝及其材料的研究，擴散層的結構改進與優化、擴散層的水管理研究等方面，以提高擴散層的導電性能、機械性能和親水疏水性能等。將貴金屬氧化物涂層涂在PEM 電解槽的陽極擴散層，可以有效提高擴散層的導電能力、機械穩定性、化學性能和抗腐蝕性能。為了研究氣體擴散層空間變化特性對水管理和質子交換膜性能的影響，采用數值分析方法研究孔隙度和潤濕性的關系，發現二者分布的空間變化會影響陰極氣體擴散層和催化劑層內部液態水的飽和度分布。文獻[29]從氣體擴散層疏水性、孔隙率、工程穿孔、微孔層等多方面介紹質子交換性能膜燃料電池和電解水電解槽擴散層的改性和處理方法，表明微孔層可以在低濕度條件下保持膜水化，在潮濕條件下可以有效去除多余水分。文獻[30]根據PEM 電解槽氣體擴散層的微孔層研究現狀，綜述了微孔層的孔隙率和孔徑分布設計，總結了微孔層的潤濕性及其對排水的影響，總結了氣體擴散層的耐久性設計，表明氣體擴散層的穿孔可以改善其去水效果，需要對新型微孔層材料的實用性和耐久性進行深入研究。

2.4 質子交換膜

質子交換膜常使用全氟磺酸聚合物Nafion膜作為質子傳導電解質。為改善質子交換膜離子交換性能，以芳基或氮雜芳基雙膦酸鹽為摻雜劑，采用流延法制備的新型Nafion膜，表現出更高的吸水率和離子交換能力。文獻[32]綜述了以采用預處理、摻入增強劑、納米復合材料、共混物、離子液體等手段來改善Nafion 性能的最新成果，表明原始Nafion 的熱歷史和預處理對其性能有相當大的影響，可以制備復合的Nafion膜，并與其他聚合物共混，從而降低膜的成本，提高其機械穩定性和熱穩定性。為了解決全氟磺酸膜（如Nafion）存在催化劑中毒、成本較高等問題，文獻[33]使用無氟聚合物有效解決該問題。預計在未來一段時間內，質子交換膜的研究側重于膜的改進、新型質子交換膜的開發等方面，以降低質子交換膜的成本，提高膜的使用壽命。

3 可再生能源電解水制氫

碳達峰與碳中和目標實現需要使用可再生能源，將可再生能源與PEM 電解水制氫結合是最佳途徑，可以實現資源優勢互補，進一步減少碳排放和制氫成本。當前成熟的可再生能源制氫主要為太陽能制氫和風電制氫，實現可再生能源多能互補制氫也是提高可再生能源利用率的重要舉措。

3.1 太陽能制氫

我國太陽輻射總量等級圖見圖3所示，太陽能最豐富帶、很豐富帶、較豐富帶分別占全國的22.8%、44%和29.8%，最豐富帶太陽能輻射年總量高于1750kWh/m，但是我國太陽能資源豐富地區主要集中在西北與華北北部，年輻照天數在250～350 天之間，年平均輻照高于200W/m，而西南部分地區太陽能輻射年總量低于1050kWh/m，年平均輻照低于120W/m。可以看出，太陽能存在空間分布不均勻，受晝夜、氣象因素影響，存在不穩定性和不連續性，因此導致太陽能發電呈現波動性、間歇性特點。且受區域分布和消納能力限制，棄光問題突出。

圖3 全國太陽輻射總量等級

將太陽能光伏發電與PEM 電解水制氫結合，可以很好地解決棄光問題，提高可再生能源利用率。為適應光伏的波動性，有效耦合光伏發電和PEM 電解水制氫，提高能量利用效率和電解水制氫的安全性，可采用DC-DC逆變器控制，見圖4所示，根據二者極化曲線的動態變化，靈活調整光伏電池發電和PEM電解水制氫耦合。為避免DC-DC逆變器帶來的功率損失和成本問題，通過在電解槽單元提供控制策略，直接將PEM 電解槽與光伏發電系統耦合，見圖5所示，實現太陽能光伏制氫安全運行和功率直接匹配的目標。

圖4 PV-逆變器耦合PEM制氫

圖5 PV直接耦合PEM制氫

為實現穩定的光伏制氫或者電網調峰的目的，將光伏電池、PEM 電解槽、電網和能源控制中心結合，如圖6所示，實現電網輔助穩定制氫或者光伏并網發電，并將過剩的電用于光伏制氫。

圖6 PV-逆變器-電網耦合PEM制氫

針對太陽能光伏PEM 電解系統的瞬態行為，Sharifian 等在動態負載情況下，利用MATLAB 開發一種光伏耦合PEM 電解槽的動態模型，探索輸入功率波動對PEM 電解槽性能的影響。為研究太陽能PEM 電解制氫系統性能，Ganjehsarabi在當地大學地區內開展太陽能PEM 電解制氫系統可行性研究，發現開發太陽能高壓PEM 電解槽制氫具有很大潛力。為了評估分布式可再生能源制氫的潛力，通過多目標遺傳算法可對光伏PEM 制氫系統的能量、經濟模型進行優化，從而提高系統綜合效率。

在產業研究方面，2018 年日本著名光伏制氫項目FH2R在福島Namie啟動，項目包括20MW光伏和10MW制氫裝置，氫氣生產速度達到1200m/h。2021 年全球最大的太陽能電解水制氫項目在我國寧夏正式投產，該項目包括200MW 的光伏發電裝置和產能為20000m/h 的制氫裝置，每年減排可達到44.5萬噸，技術已達到國際先進水平。2021年6月22日張掖市光儲氫熱產業化示范項目正式動工，由中國能源建設集團承建，該項目完成后，全容量投產的情況下，每年減排可達到155萬噸。2021年11月30 日我國首個萬噸級的太陽能光伏制氫項目在新疆庫車正式開工建設，預計年產綠氫2萬噸。

3.2 風電制氫

我國風能資源豐富，年有效風能功率密度和風速在3～25m/s，風能資源豐富地區主要集中在東北、華北北部、西北（“三北”）地區，100m 高度上土地可利用率達0.8 以上。但是“三北”地區的風為冬季風、春季風，容易受季節、氣象因素影響，導致風電也呈現出波動性、間歇性的特征。同時受用電負荷區域分布、電力系統調壓、調頻、調峰需求、輸電能力等因素的影響，導致棄風問題存在，浪費風電資源。

將風電與PEM 電解水制氫結合，分為并網風電PEM 制氫（圖7）和離網風電PEM 制氫。當風力發電過剩時，可以將棄風發電用于氫儲能，電力不足或者電力波動性大時，可以通過燃料電池或氫燃汽輪機發電，起到削峰填谷作用，增強電力系統穩定性和最大限度的利用可再生能源。風電的波動性嚴重影響電解水制氫系統的性能，Muyeen等采用10 個不同容量的電解制氫裝置，通過調整不同制氫裝置的啟停來平滑風電出力，實現不采用昂貴的儲能系統的情況下，系統穩定可靠運行，整體性能明顯提升。Sarrias-Mena 等考慮波動風速、波動功率、不同溫度、壓力對PEM 制氫設備運行的影響，提出四種不同的PEM 電解水制氫與風電耦合運行模型，系統協調運行效果良好，得到風電制氫是棄風風電利用的理想選擇結論。對于離網風電PEM 制氫，Carr 等利用PEM 電解槽能夠運行在低功率條件下的優勢，設計了獨立的風電制氫系統，以12kW的PEM電解槽為基礎，提出了系統的動態模型。設計了最大功率追蹤控制算法，采用格拉摩根大學風電制氫場的歷史風電數據確定風電制氫系統潛在的產量。為分析風電制氫電源變化對產氫量的影響因素，通過分析風電特性，搭建獨立風電場風電制氫模型，可以得出風電輸出功率變化對制氫的影響以及電壓電流隨產氫量變化的影響。

圖7 并網風電PEM制氫

在風電制氫技術的經濟性和可行性研究方面，針對陸上風電成本對制氫成本影響的問題，研究發現風力發電成本占制氫成本比例較大，在商業可行的風電制氫地點，陸上風力發電成本為0.55～0.56CNY/kWh，在經過儲運費用均攤后，可再生氫供應成本為34.27～37.50CNY/kg。為此降低風電成本、制氫成本、氫能儲運成本是風電制氫產業化的基礎。

在產業研究方面，2015 年河北沽源風電制氫項目是國內首個風電制氫項目，包括200MW 風電場和10MW 制氫設備，項目完成后可實現年制氫1.752×10m，目前為世界裝機容量最大的風電制氫項目。近些年海上風電制氫項目發展勢頭同樣猛烈，荷蘭的NortH項目計劃在2030年和2040年分別達成3～4GW 和10GW 的海上風電裝機容量，項目完成后可年產80 萬噸綠氫，是全球最大的海上風電制氫項目。

3.3 可再生能源多能互補制氫

為提高能源整體利用效率，將供給側端可再生能源進行有效整合，使用電-氫作為多能互補的基礎，如圖8所示，將風能、太陽能等不同形式的可再生能源通過電-氫互補，不僅有效降低電解制氫成本、提高可再生能源利用率，還為可再生能源消納、儲存提供新的途徑。

圖8 可再生能源多能互補制氫

在可再生能源多能互補研究方面，風光互補占有一席之地，研究人員發現光伏和風電具有季節性互補特性，如圖9 所示。春季和秋季（3 月～5 月，9 月～11 月）風電和光伏容量因子較為接近，尤其在4月和10月基本持平。在夏季（6月～8月）光伏容量因子明顯大于風電容量因子，而在冬季（12月～來年2月）風電容量因子則大于光伏容量因子，季節性互補特性在冬季和夏季更加明顯。通過將風電和光伏互補，發現全年容量因子變化幅度明顯降低，說明可再生能源多能互補技術能有效抑制可再生能源功率波動。

圖9 風電和光伏容量因子的季節性變化[53]

單一的可再生能源波動較大，在并網過程中對電網穩定運行產生影響，可再生能源多能互補是平抑功率波動的有效方式之一。采用譜分析方法探索風電和光伏發電的波動特性的內部基本規律，給出風能和太陽能的基本模型，揭示間歇性的特性和相差特性，在此基礎上提出風光互補的理論基礎，通過案例研究，驗證風光互補大規模制氫成本可以與煤制氫的成本相媲美，碳排放量遠低于煤制氣。

Wang 等提出一種多能互補分布式冷熱電聯供系統，并應用于北京某商業建筑驗證其可靠性。隨著多能互補制氫系統研究的不斷深入，模擬系統模型也愈加復雜，Zahedi等提出并搭建了一種包括風能、水能、太陽能、地熱能和生物質能五種可再生能源-PEM 制氫-燃料電池系統的可再生能源混合系統，并通過搭建實物模型來驗證系統可靠性。

多能互補制氫研究主要側重于多能互補系統運行策略控制、儲能容量配置優化。面對風光互補系統的社會效益問題，在分析新能源發電、調頻、負荷及二級市場的結構和效益的基礎上，發現構建風光儲能系統策略優化模型可顯著提高系統效率、增加成本收益、優化市場結構。隨著多能互補系統規模擴大，多能互補的優勢更加明顯，文獻[58]針對區域能源系統協調問題，開發了一個交易能源機制支持的能源共享策略，研究發現在多能互補的共享模式下，能源效率提高，成本降低，且隨規模擴大而更加明顯。文獻[59]基于Wasserstein 方法和改進的K-medoids理論創造不確定因素環境，并在環境中以最大收益、最小成本和產出平穩為目標對多能互補系統進行多目標優化分析。多能互補容量配置優化同樣是研究重點，基于互補保證率（CGR）和累計時間比例（CTP）的最優容量決策方法可有效優化風-光綜合能源系統，光伏和風電最佳容量比為0.744 和0.256。文獻[61]以低成本、高收入和高效率為目標對風光互補綜合系統的容量進行粒子群多目標優化，發現通過減少集熱器面積和增加儲罐容量可降低發電成本。

在多能互補制氫產業研究方面，2018 年歐盟BIG HIT 項目在Kirkwall 啟動，該項目通過風能和潮汐能進行PEM電解水制氫，取得較好的經濟效益和社會效益。2021 年中國能建與內蒙古鄂爾多斯簽署1000MW風電、5000MW光儲一體化項目投資開發框架協議，與新疆巴音郭楞簽署8000MW風光水火儲一體化項目開發框架協議，與青海海西州簽署4000MW風光儲氫一體化項目投資合作框架協議，加強多能互補基地建設。國電電力計劃在2025年內建成投產內蒙古鄂爾多斯“風光火儲氫”綜合能源項目，項目包括1000MW 風電、2650MW光伏、480MW 儲能。國家電投在柴達木盆地德令哈的“多能互補”項目，項目包括2000MW 光伏、200MW風電、880MW儲能，具有較好的示范效應。

4 結語

碳達峰與碳中和目標實現需要最大限度使用綠色、清潔、低碳的可再生能源，本文總結當前的主要制氫方式，進行詳細的對比分析，認為可再生能源與PEM 電解水制氫為碳達峰與碳中和目標下制氫的最佳結合方式。從PEM 電解水制氫和可再生能源PEM 電解水制氫兩個角度展開綜述，分析了技術進展、研究熱點和產業發展，并提出展望。分析得出當前二者結合主要問題為PEM 電解槽成本問題、可再生能源發電成本問題，以及二者耦合制氫、多能互補制氫的技術問題，提出如下解決路徑。

（1）在PEM 電解槽成本方面，研發雙極板新型材料或者研究金屬雙極板表面涂層技術，減少貴金屬催化劑的負載量，開發低成本長壽命的質子交換膜是整體降低PEM 電解水制氫電解槽的成本主要途徑。

（2）在可再生能源發電成本方面，需進一步開展核心技術攻關，解決制約風電、光伏發電等可再生能源能源發電的瓶頸問題，優化發電調度決策，從而降低可再生能源發電技術成本。

（3）在可再生能源與PEM 電解水制氫耦合方面，研究適應寬功率波動的電力電子器件，開展PEM 制氫設備的寬功率波動適應性研究，探索大容量、低成本適應可再生能源波動的PEM 制氫設備，以適應大規模可再生能源制氫的需求。

（4）在多能互補制氫方面，整合太陽能、風能等可再生能源，協調控制多能互補能源系統，推動電-氫互補，構建氫能和電能為核心的新型電力系統，為社會提供所需求的能源形式，助力碳達峰和碳中和目標。