電解水制氫技術在可再生能源發(fā)電領域的應用

1、Last revision on 21 December 2020電解水制氫技術在可再生能源發(fā)電領域的應用1、引言隨著國民經濟的迅速増長，對能源的需求曰益旺盛，能源短缺以及化 石能源所產生的環(huán)境污染問題日益尖銳。新能源資源潛力大.可持續(xù)利 用，在滿足能源需求、改善能源結構、減少環(huán)境污染、促進經濟發(fā)展等方 面發(fā)揮了重要作用，已引起了國際社會的廣泛關注。在能源安全與環(huán)境保 護的雙重壓力下，技術相對成熟、具備規(guī)?；_發(fā)條件的風力發(fā)電、太陽 能光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電等在世界范圍內取得了飛速發(fā)展。由于風能等可再生能源自身特點決定了風電、太陽能發(fā)電等是典型的 隨機性、間歇性電源。其大規(guī)模并網發(fā)電對電網的

2、安全穩(wěn)定和運行調度等 諸多方面均有很大影響。特別是隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，對 電網的影響將更加顯著，這已成為制約可再生能源發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的嚴重 障礙。電解水制氫是一種高效、清潔的制氫技術，其制氫工藝簡單，產品純 度高，氫氣、氧氣純度一般可達,是最有潛力的大規(guī)模制氫技術。特別 是隨著目前可再生能源發(fā)電的曰益増長，氫氣將成為電能存儲的理想載 體。通過將可再生能源發(fā)電經過電解水制氫技術，將可再生能源產生的電 能轉化為氫能進行儲存，并且根據實際需要，還可通過后續(xù)化工過程將氫 能轉化為甲烷、甲醇及其他液態(tài)燃料等。目前我國氫氣年產量已逾千萬噸規(guī)模.位居世界第一。工業(yè)規(guī)模的制 氫方法主要包括甲烷蒸

3、汽重整和電解水制氫，其中電解水制氫的產量約占 世界氫氣總產量4%。盡管甲烷蒸汽重整是目前最經濟的制氫方法，但其在 生產過程中不僅消耗大量化石燃料，而且產生大量二氧化碳。電解水制氫 工藝過程簡單，產品純度高，通過采用可再生能源作為能量來源，可現氫 氣的高效、清潔、大規(guī)模制備，該技術也可以用于CO2的減排和轉化，具 有較為廣闊的發(fā)展前景。目前的電解水制氫方法主要有三種：堿性電解水制氫，固體聚合物電 解水制氫，及高溫固體氧化物電解水制氫。堿性電解水制氫是目前非常成 熟的制氫方法，目前為止，工業(yè)上大規(guī)模的電解水制氫基本上都是采用堿 性電解制氫技術，該方法工藝過程簡單，易于操作。電解制氫的主要能耗 為電

4、能，每立方米氫氣電耗約為，電費占整個電解制氫生產成本的80% 左右。因此，電解水制氫技術特別適用于風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的能 源載體。2、電解水制氫技術堿性電解水電解制氫堿性電解水制氫裝置是由若干個單體電解池組成，每個電解池由陰 極、陽極、隔膜及電解液構成。通入直流電后，水在電解池中被分解，在 陰極和陽極分別產生氫氣和氧氣。通常電解液都是氫氧化鉀溶液，濃度為 20wt%30wt%。隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用.兩電極主要由 金屬合金組成，如RaneyNickel （雷尼鐮）,Ni-Mo合金等，起著分解水， 產生氫和氧的作用。由能斯特方程可知電解池的工作溫度越高，電解電壓將越低但溫 度

5、升高會増加對電解池隔膜材料的腐蝕，石棉在堿液中長期使用溫度不能 超過100C0,因此工業(yè)上廣泛使用的堿性水溶液電解池操作溫度為70 8OC0,氣體壓力為 3MPa。堿性電解水解制氫是目前最成熟的大規(guī)模制氫方法。到目前為止，工 業(yè)上大規(guī)模的電解水制氫基本上都是采用堿性電解池水電解制氫技術，該 方法工藝過程簡單，易于操作。但其電能消耗較大，每立方米氫氣電耗約 為h,電費占整個電解水制氫生產費用的80%左右。由于堿性電解池技術 較為成熟，目前對其研究相對較少，國內外對其關注的熱點主要集中在堿 性電解池制氫設備的開發(fā)方面。盡管在水電解制氫設備的開發(fā)方面取得了 定進展，但其能耗大、成本高的關鍵性問題仍沒

6、有解決。固體聚合物電解水制氫與堿性電解水制氫技術相比，固體聚合物電解水制氫(SPE)技術主要有以 下三方面的優(yōu)勢：(1) 固體聚合物電解水制氫以固體聚合物膜為電解質，電解循環(huán)中沒有堿液 流失、腐蝕等問題，并且由于固體聚合物電解質膜較薄，減小了電解過程 的歐姆損失，提高了系統(tǒng)的效率；(2) 固體聚合物電解質隔膜，具有良好的化學穩(wěn)定性，高的質子傳導性，良 好的氣體分離性等優(yōu)點，提高了電解池的安全性，増加了氣體純度.并且 由于較高的質子傳導性，固體聚合物電解水制氫可在較高的電流密度下工 作，從而增大了電解效率；(3) 固體聚合物電解水制氫采用膜電極三合一結構.類似于堿性電解池中 的零間距電解池結構，

7、因此降低了能耗。目前固體聚合物電解水制氫效率 可以達到約80%o固體聚合物電解水制氫具有環(huán)境友好、純度高、效率高等優(yōu)點，發(fā)展?jié)摿?很大，近年來受到各國的普遍重視。第一臺SPE電解池是由通用電氣公司 在1966年研制出來，當時主要用于空間技術。隨后日本開展了 WorldEnergyNetwork (WE-NET)計劃，對SPE電解池進行了大量的研 究。近年來SPE水電解制氫技術成為制氫領域的研究熱點之一。美國在 SPE水電解制氫領域處于世界領先水平，其研究主要用于空間技術及海軍 核潛艇中的供氧裝置。在90年代美國就已研制出采用的SPE電解池水電解 供氧裝置，并已應用在“海浪級”核潛艇上，該裝置其

8、工作壓力約21MPa, 電流密度cm2,由100個小室組成，氫氣和氧氣純度在以上，電解池體 積僅為堿性電解池的幾分之一。曰本在WE-NET計劃支持下，成功研制了 電極面積為的高性能SPE電解池，在常壓下，工作溫度80C.小室電壓 為、電流密度可達到lA/cm2,電流效率為。高溫固體氧化物電解水制氫高溫固體氧化物電解水電解制氫的最早報道是在1982年，德國科學家(在HOTELLY項目的支持下)首次成功實現了利用第一代電解質支撐的 管式SOEC實現了制氫。此后，西屋電氣公司和曰本原子能研究所相繼開 展了管式SOEC高溫電解制氫的試驗和研究。西屋電氣公司電解池在 1000C。下最大產氫速率可達到h

9、；曰本原子能研究所的等采用了兩種固體氧 化物電解池：管式和平板式，其中管式電解池950C。下最大產氫密度為44Ncm3/cm2h,平板式電解池50C。下最大產氫密度為38Ncm3/cm2h。雖然 管式SOEC制備簡單，不存在高溫密封問題，但是由于高溫下材料性能的 限制、清潔高效的高溫熱源的缺乏和當時化石燃料的價格低廉等問題，該 方法未得到工業(yè)化應用。直到2004年美國愛達荷國家實驗室（INL）和鹽 湖城Ceramics陶瓷技術公司利用單體固體氧化物電解池組裝的平板式高溫 電解堆，產氫能力超過60NL/h,使SOEC又成為電解水制氫領域的研究熱 占八、o高溫固體氧化物電解水電解制氫與堿性電解和S

10、PE電解水制氫相比， 高溫電解降低了電能消耗，較大地提高了系統(tǒng)制氫效率而且高溫條件下 電解，電極動力學性能顯著改善，減少了電解過程的能量損失，較高地提 高了電解效率。另外高溫條件下電解.電極可采用非貴金屬催化劑，降低 了電解制氫成本，并且SOEC為全陶瓷材料結構避免了材料腐蝕問題。盡管高溫條件使SOEC的系統(tǒng)效率和電解效率都有較大提高，但高溫 使電解池關鍵材料的選擇上受到了一定限制，特別是平板式SOEC,高溫 對無機密封和雙極板連接板材料要求更加苛刻。其次，盡管從原理上講， SOEC是SOFC反應的逆過程，SOEC與SOFC對材料的基本性能要求相 似。但是當電池模式轉換為電解模式后，工作環(huán)境和

11、電勢梯度發(fā)生明顯改 變，對SOEC穩(wěn)定性和電極材料影響很大，特別是高溫高濕環(huán)境下氫電極 衰減等問題更是亟待解決。3、電解水制氫技術在風力發(fā)電領域的應用風力發(fā)電是將可再生的風能轉化為電能。到2007年底，風能已經成為 主要的能源資源，在世界能源市場上占有了重要的位置。目前由于風電并 網問題的日益突出，全國風電場普遍存在棄風問題，經濟損失巨大。基于 上述原因，通過電解水制氫技術，將棄風電能轉換為氫能作為載體進行儲 存，并通過對氫能的綜合利用，實現棄風電能的充分利用。上述三種電解水制氫技術均可用于風力發(fā)電系統(tǒng)，各有不同優(yōu)缺點。(1) 堿性電解水制氫技術成熟、成本低、易于實現大規(guī)模制氫應用， 但是風力

12、發(fā)電系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性相對較差，需要針對風力發(fā)電系統(tǒng)電源特 點開發(fā)適宜于風力發(fā)電系統(tǒng)應用的堿性電解水制氫系統(tǒng)。(2) 固體聚合物電解水制氫技術較為成熟、具有較好的變工況運行特 性，較為適宜于風力發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定電源。但其成本較高制氫規(guī)模較 小，進一步限制了固體聚合物電解水制氫技術在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用。(3) 高溫固體氧化物電解水制氫技術具有較高的電解效率(90%以 上).由于高溫電解制氫工作溫度較高，需要額外接入風電加熱高溫電解 水制氫系統(tǒng)，這將降低高溫電解水制氫的綜合效率。另外，目前高溫電解 水制氫規(guī)模還與堿性電解水制氫具有一定差距，也限制了高溫固體氧化物 電解水制氫技術在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用。

13、綜合來看，由于風力發(fā)電系統(tǒng)的裝機規(guī)模較大，較為適宜于大規(guī)模的 電解制氫技術，風力發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術宜采用堿性電解水制氫技 術。4、電解水制氫技術在太陽能光伏發(fā)電領域的應用用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術主要有：堿性電解水制氫技術和固 體聚合物電解水制氫技術。由于光伏發(fā)電的裝機規(guī)模遠小于風力發(fā)電系 統(tǒng)，其制氫規(guī)模相對較小，而且光伏發(fā)電的電源也存在一定的波動性，每 天夜間需要停機，要求與其相匹配的電解制氫裝置具有良好的變工況運行 及頻繁起停運行特性。因此，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術宜采 用固體聚合物電解水制氫技術。5、電解水制氫技術在太陽能光熱發(fā)電領域的應用太陽能光熱發(fā)電技術是采用大

14、面積的太陽能反射鏡，通過追蹤系統(tǒng). 將太陽光聚焦到相應的接收器上，并加熱流過接收器內的傳熱工質在熱 轉換設備中直接或間接產生高溫、高壓的蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸汽輪機 發(fā)電機組進行發(fā)電。太陽能熱發(fā)電技術具有裝機容量大、無需無功補充，對電網沖擊小、 年發(fā)電時間長，規(guī)?；笤靸r具有很大下降空間，并且該技術在設備制 造、前期建設、電廠運行、后期處理過程中均無環(huán)境污染，通過儲熱系統(tǒng) 還可實現連續(xù)發(fā)電等優(yōu)勢。截至2013年4月，全球太陽能光熱發(fā)電累計裝 機容量295萬千瓦，我國目前尚處于商用化運行前期。能源局規(guī)劃預期到 2015年底，我國將建成光熱發(fā)電總裝機容量100萬千瓦。由于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)產生高溫

15、、高壓蒸汽，非常適宜于高溫固體 氧化物電解水制氫技術。通過抽取部分太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的高溫、高壓 蒸汽直接引入高溫固體氧化物電解制氫系統(tǒng)，并通過部分光熱發(fā)電所產生 電能，可實現太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、清潔的規(guī)模化連續(xù)制氫。 并通過對氫氣的后續(xù)利用等進一步増加太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)經濟效益。6、結論能源安全與環(huán)境保護的雙重壓力下.大力發(fā)展可再生能源的是破解我 國能源與環(huán)境問題的必由之路。其中技術相對成熟、具備規(guī)模化開發(fā)條件 的風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電等在世界范圍內取得了飛 速發(fā)展。清潔、高效的氫作為電能存儲的理想載體已越來越受到重視。電 解水制氫技術是實現將電能轉換為氫載體進行儲存的最理想方式。電解水制氫主要有堿性電解水制氫、固體聚合物電解水制氫、高溫固 體氧化物電解水制氫。堿性電解水制氫是當今最成熟的制氫技術，目前工業(yè)上大規(guī)模電解水 制氫基本上都是采用該電解制氫技術；