近年來，伴隨著各項氫能政策的出臺，中國氫能產業發展逐漸步入快車道。根據今年5月由國家能源局公布的《中國氫能發展報告（2025）》，截至2024年底，我國氫氣產能超5000萬噸/年。
然而，這些氫能中的大部分都是通過傳統方式獲得的，比如煤的氣化、天然氣的重整等。相對而言，通過電解水的方式獲得氫氣則環保得多，特別是利用光電、風電等清潔電力，其碳排放幾乎為零，是一種相對理想的制氫方式。
但這種方式也有弊端。比如制氫裝置有時會發生不明原因的局部燃爆現象，便一直困擾著相關產業的安全生產。對于此現象產生的原因，人們長期找不但答案。
不久前，華北電力大學國家儲能技術產教融合創新平臺/新型儲能技術北京實驗室教授劉建國和副研究員譚愛東團隊通過大量研究，終于破解了其背后的謎題，相關研究發表在《自然—通訊》。
日益凸顯的安全問題
在氫能制造行業，通過傳統方式獲得的氫被稱為“灰氫”，原因就是這種氫氣的制作過程中會排放大量二氧化碳。
“目前，我國每年生產的氫氣大多源自于煤炭的氣化。這種方式下，每生產1公斤氫氣，大約需要排放20公斤二氧化碳。”劉建國說，這顯然不利于“雙碳”目標的達成。因此，在新能源發電的基礎上，通過電解水制氫已經成為了行業發展的大趨勢，通過這種方式制得的氫也被稱為“綠氫”。
不過，這種方式也是有一定“門道”的。
劉建國告訴《中國科學報》，傳統電解水制氫工藝所使用的電能主要來自電網，而風電或光電一旦進入電網，其價格會有很大提升。“在入網前，每度風電、光電的成本大概只有兩三角錢；入網后，其價格就要漲到四五角錢，等真正用到工業一線時，每度電的價格可能要達到七八角錢。”
因此，電解水制氫的最佳方式是直接與光伏或風能發電設備連接，使其發出的電能可以通過“離線”的方式，直接進入電解水的工藝流程中。
但問題也就由此出現。
“近年來，國內發生了數起PEM水電解槽爆燃事故，不僅造成了巨大的經濟損失，更影響了投資者和用戶對電解水制氫技術的信心。”譚愛東說。
譚愛東口中的“PEM”，全名叫做質子交換膜，是PEM水電解技術的核心材料之一。該技術因其具有高效、快速響應、制氫純度高等特點而備受關注，目前已經廣泛應用于工業級制氫產業。但日益凸顯的安全問題，卻阻礙著這項技術從實驗室走向更廣泛的工業化應用。
真正的“元兇”
“PEM水電解技術的原理并不難理解。”劉建國說，簡單而言，就是將電導入電解槽，在電場和催化劑的作用下，槽內的水會在導電線的正極附近發生水解反應，水分子分裂成氫離子、電子和氣態氧。其中的氫離子會通過PEM傳到至負極，電子則由儀器內部的電路傳導至負極，兩者在負極附近相互結合生成氫氣。
在研究中，團隊成員對100千瓦和2千瓦的PEM水電解槽的實際安全事故進行了深入分析，通過技術手段重現了事故發生全過程，并利用高速攝像技術，成功捕獲了電解槽內爆燃的實時影像。
正是這些工作，最終揭示了PEM水電解槽爆燃事故背后的真正“元兇”。
“這需要回到新能源發電的自身特點中來。”劉建國解釋說，與傳統的水電、火電相比，風電、光電的發電效率受風力大小和光照強度的影響巨大，而這些因素是隨時在變化的。這導致風電、光電強度具有很明顯的波動性、間歇性和隨機性。而風電、光電入網后的價格提升，很重要的原因也在于電網需要付出額外成本來平衡這種波動。
于是，當風電、光電不經過電網平衡，直接參與電解水反應時，問題就出現了。
譚愛東解釋說，被輸進電解槽的電能并非全部參與電解反應，而是會有部分電能轉化為熱能，并被槽內的水吸收。
不過，這種吸收需要一個過程，但風電、光電的強度變化卻是毫秒級的。
電流瞬時的變化會在短時間內產生大量熱，如果電解槽內的水不夠多，不能將產生的熱量快速吸收，將會導致槽內溫度上升。研究團隊將這一現象稱為“水饑餓”。
“水饑餓會使PEM電導率降低100倍，其內部的電極組件的溫度則會超過150°C，這會導致PEM軟化、變薄甚至形成穿孔，引發氫氣與氧氣相互混合。”劉建國說，在高溫環境下，這種混合氣體幾乎必然會引發爆燃。
安全措施尚待改進
根據《中國氫能發展報告（2025）》公布的數據，截至2024年底，我國電解水制氫的產能約為50萬噸/年，產量約32萬噸。這意味著與每年超5000萬噸的氫氣總產能相比，“綠氫”產業還有很大的發展空間。
在此背景下，解決工業級PEM電解槽的爆燃問題也就顯得更加迫切了。
對此，研究團隊也提出了一些具體的建議。
“比如，要進一步開發更安全的復合增強膜材料，使其在保持高性能的同時，能夠提升熱機械穩定性。”劉建國說，同時還要建立基于人工智能的多參數融合預警系統，整合電壓、溫度、氣體成分等多維度信息，實現故障的超前預測。
此外，研究團隊還建議制定一套行業統一的安全設計規范和測試標準，并開展不同工況下的長期安全性評估，為完善故障診斷模型提供大數據支持。
“我們還要探索和開發一些主動防護技術，比如智能流量調節系統、快速泄壓和氮氣吹掃裝置等，從而在系統檢測到異常時可以自動介入，規避風險的發生。”譚愛東說。
據了解，目前該研究團隊依托與陜西興燃科技有限公司共建的聯合實驗室，在內蒙古烏蘭察布市裝機了一臺250立方氫每小時的光伏直聯制氫電解槽，并將相關技術應用其中，該設備已經運行超過兩個月，運行穩定可靠。該成果已通過科技成果鑒定，專家組認為項目總體達到了國際先進水平，部分指標達到了國際領先水平。
此外，他們還有一些企業合作，將相關技術引入企業的生產中，也取得了很好的效果。
研究團隊聯合企業開發的光伏直聯制氫PEM電解槽 受訪者供圖
“有數據顯示，目前全國各地累計規劃建設可再生能源電解水制氫項目已經超過了600個，我們希望自己的研究可以為PEM水電解技術的安全工業化打下了堅實的科學基礎，更希望‘綠氫’產業可以由此實現健康、快速的發展。”劉建國說。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64162-y
本文鏈接：“綠氫”制備時發生爆燃？機理找到了http://m.sq15.cn/show-11-27595-0.html
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