電解水制氫技術在可再生能源發(fā)電領域的應用

1、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(jīng)濟的迅速增長，對能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所產(chǎn)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(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進經(jīng)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(nèi)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(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和運行調(diào)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

2、大，對電網(wǎng)的影響將更加顯著，這已成為制約可再生能源發(fā)電規(guī)?；l(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(chǎn)品純度高，氫氣、氧氣純度一般可達99.9，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)電的日益增長，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(jīng)過電解水制氫技術，將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為氫能進行儲存，并且根據(jù)實際需要，還可通過后續(xù)化工過程將氫能轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇及其他液態(tài)燃料等。目前我國氫氣年產(chǎn)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汽重整和電解水制氫，其中電解水制氫的產(chǎn)量約占世界氫氣總產(chǎn)量4。盡管甲烷蒸汽重整是目前最經(jīng)

3、濟的制氫方法，但其在生產(chǎn)過程中不僅消耗大量化石燃料，而且產(chǎn)生大量二氧化碳。電解水制氫工藝過程簡單，產(chǎn)品純度高，通過采用可再生能源作為能量來源，可現(xiàn)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(zhuǎn)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能，每立方米氫氣電耗約為4.55.5kWh，電費占整個電解制氫生產(chǎn)成本的80左右。因此，電解水制氫技術特別適

4、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2.1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(gòu)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(chǎn)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（雷尼鎳），Ni-Mo合金等，起著分解水，產(chǎn)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，但溫度升高會增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100，因此工業(yè)上廣泛使用的堿性水

5、溶液電解池操作溫度為7080，氣體壓力為0.13MPa。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4.55.5kWh，電費占整個電解水制氫生產(chǎn)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(nèi)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)方面取得了一定進展，但其能耗大、成本高的關鍵性問題仍沒有解決。2.2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

6、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(zhì),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(zhì)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(zhì)隔膜，具有良好的化學穩(wěn)定性,高的質(zhì)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，增加了氣體純度，并且由于較高的質(zhì)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(jié)構(gòu)，類似于堿性電解池中的零間距電解池結(jié)構(gòu)，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。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)

7、展?jié)摿艽螅陙硎艿礁鲊钠毡橹匾?。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，該裝置其工作壓力約21MPa，電流密度1.4A/cm2，由100個小室組成，氫氣和氧氣純度在99.99以上，電解池體積僅為堿性電解池的幾分之一。日

8、本在WE-NET計劃支持下，成功研制了電極面積為0.05m2的高性能SPE電解池，在常壓下，工作溫度80，小室電壓為1.53V，電流密度可達到1A/cm2，電流效率為99.2。2.3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（W.Doenitz在HOTELLY項目的支持下）首次成功實現(xiàn)了利用第一代電解質(zhì)支撐的管式SOEC實現(xiàn)了制氫。此后，西屋電氣公司和日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1000下最大產(chǎn)氫速率可達到17.6Nl/h；日本原子能研究所的R.Hino等采用了兩種固體氧化物電解池：管式和平板

9、式，其中管式電解池950下最大產(chǎn)氫密度為44Ncm3/cm2h，平板式電解池50下最大產(chǎn)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(chǎn)氫能力超過60NL/h，使SOEC又成為電解水制氫領域的研究熱點。高溫固體氧化物電解水電解制氫與堿性電解和SPE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

10、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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為電解模式后，工作環(huán)境和電勢梯度發(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

11、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(zhuǎn)化為電能。到2007年底，風能已經(jīng)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(wǎng)問題的日益突出，全國風電場普遍存在棄風問題，經(jīng)濟損失巨大?；谏鲜鲈颍ㄟ^電解水制氫技術，將棄風電能轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)大規(guī)模制氫應用，但是風力發(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

12、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。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、

13、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(nèi)的傳熱工質(zhì)，在熱轉(zhuǎn)換設備中直接或間接產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽，然后

14、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(wǎng)沖擊小、年發(fā)電時間長，規(guī)模化后造價具有很大下降空間，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(xiàn)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(chǎn)生高溫、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(chǎn)生

15、電能，可實現(xiàn)太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、清潔的規(guī)?；B續(xù)制氫。并通過對氫氣的后續(xù)利用等進一步增加太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟效益。6、結(jié)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)?；_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(nèi)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(xiàn)將電能轉(zhuǎn)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