近年来，伴随着各项氢能政策的出台，中国氢能产业发展逐渐步入快车道。根据今年5月由国家能源局公布的《中国氢能发展报告（2025）》，截至2024年底，我国氢气产能超5000万吨/年。

然而，这些氢能中的大部分都是通过传统方式获得的，比如煤的气化、天然气的重整等。相对而言，通过电解水的方式获得氢气则环保得多，特别是利用光电、风电等清洁电力，其碳排放几乎为零，是一种相对理想的制氢方式。

但这种方式也有弊端。比如制氢装置有时会发生不明原因的局部燃爆现象，便一直困扰着相关产业的安全生产。对于此现象产生的原因，人们长期找不但答案。

不久前，华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台/新型储能技术北京实验室教授刘建国和副研究员谭爱东团队通过大量研究，终于破解了其背后的谜题，相关研究发表在《自然—通讯》。

日益凸显的安全问题

在氢能制造行业，通过传统方式获得的氢被称为“灰氢”，原因就是这种氢气的制作过程中会排放大量二氧化碳。

“目前，我国每年生产的氢气大多源自于煤炭的气化。这种方式下，每生产1公斤氢气，大约需要排放20公斤二氧化碳。”刘建国说，这显然不利于“双碳”目标的达成。因此，在新能源发电的基础上，通过电解水制氢已经成为了行业发展的大趋势，通过这种方式制得的氢也被称为“绿氢”。

不过，这种方式也是有一定“门道”的。

刘建国告诉《中国科学报》，传统电解水制氢工艺所使用的电能主要来自电网，而风电或光电一旦进入电网，其价格会有很大提升。“在入网前，每度风电、光电的成本大概只有两三角钱；入网后，其价格就要涨到四五角钱，等真正用到工业一线时，每度电的价格可能要达到七八角钱。”

因此，电解水制氢的最佳方式是直接与光伏或风能发电设备连接，使其发出的电能可以通过“离线”的方式，直接进入电解水的工艺流程中。

但问题也就由此出现。

“近年来，国内发生了数起PEM水电解槽爆燃事故，不仅造成了巨大的经济损失，更影响了投资者和用户对电解水制氢技术的信心。”谭爱东说。

谭爱东口中的“PEM”，全名叫做质子交换膜，是PEM水电解技术的核心材料之一。该技术因其具有高效、快速响应、制氢纯度高等特点而备受关注，目前已经广泛应用于工业级制氢产业。但日益凸显的安全问题，却阻碍着这项技术从实验室走向更广泛的工业化应用。

真正的“元凶”

“PEM水电解技术的原理并不难理解。”刘建国说，简单而言，就是将电导入电解槽，在电场和催化剂的作用下，槽内的水会在导电线的正极附近发生水解反应，水分子分裂成氢离子、电子和气态氧。其中的氢离子会通过PEM传到至负极，电子则由仪器内部的电路传导至负极，两者在负极附近相互结合生成氢气。

在研究中，团队成员对100千瓦和2千瓦的PEM水电解槽的实际安全事故进行了深入分析，通过技术手段重现了事故发生全过程，并利用高速摄像技术，成功捕获了电解槽内爆燃的实时影像。

正是这些工作，最终揭示了PEM水电解槽爆燃事故背后的真正“元凶”。

“这需要回到新能源发电的自身特点中来。”刘建国解释说，与传统的水电、火电相比，风电、光电的发电效率受风力大小和光照强度的影响巨大，而这些因素是随时在变化的。这导致风电、光电强度具有很明显的波动性、间歇性和随机性。而风电、光电入网后的价格提升，很重要的原因也在于电网需要付出额外成本来平衡这种波动。

于是，当风电、光电不经过电网平衡，直接参与电解水反应时，问题就出现了。

谭爱东解释说，被输进电解槽的电能并非全部参与电解反应，而是会有部分电能转化为热能，并被槽内的水吸收。

不过，这种吸收需要一个过程，但风电、光电的强度变化却是毫秒级的。

电流瞬时的变化会在短时间内产生大量热，如果电解槽内的水不够多，不能将产生的热量快速吸收，将会导致槽内温度上升。研究团队将这一现象称为“水饥饿”。

“水饥饿会使PEM电导率降低100倍，其内部的电极组件的温度则会超过150°C，这会导致PEM软化、变薄甚至形成穿孔，引发氢气与氧气相互混合。”刘建国说，在高温环境下，这种混合气体几乎必然会引发爆燃。

安全措施尚待改进

根据《中国氢能发展报告（2025）》公布的数据，截至2024年底，我国电解水制氢的产能约为50万吨/年，产量约32万吨。这意味着与每年超5000万吨的氢气总产能相比，“绿氢”产业还有很大的发展空间。

在此背景下，解决工业级PEM电解槽的爆燃问题也就显得更加迫切了。

对此，研究团队也提出了一些具体的建议。

“比如，要进一步开发更安全的复合增强膜材料，使其在保持高性能的同时，能够提升热机械稳定性。”刘建国说，同时还要建立基于人工智能的多参数融合预警系统，整合电压、温度、气体成分等多维度信息，实现故障的超前预测。

此外，研究团队还建议制定一套行业统一的安全设计规范和测试标准，并开展不同工况下的长期安全性评估，为完善故障诊断模型提供大数据支持。

“我们还要探索和开发一些主动防护技术，比如智能流量调节系统、快速泄压和氮气吹扫装置等，从而在系统检测到异常时可以自动介入，规避风险的发生。”谭爱东说。

据了解，目前该研究团队依托与陕西兴燃科技有限公司共建的联合实验室，在内蒙古乌兰察布市装机了一台250立方氢每小时的光伏直联制氢电解槽，并将相关技术应用其中，该设备已经运行超过两个月，运行稳定可靠。该成果已通过科技成果鉴定，专家组认为项目总体达到了国际先进水平，部分指标达到了国际领先水平。

此外，他们还有一些企业合作，将相关技术引入企业的生产中，也取得了很好的效果。

研究团队联合企业开发的光伏直联制氢PEM电解槽  受访者供图

“有数据显示，目前全国各地累计规划建设可再生能源电解水制氢项目已经超过了600个，我们希望自己的研究可以为PEM水电解技术的安全工业化打下了坚实的科学基础，更希望‘绿氢’产业可以由此实现健康、快速的发展。”刘建国说。

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64162-y