电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用

电解水制氢技术在可再生能源发电

领域的应用

1、引言

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力下，技术相对成熟、具备规模化开发条件的风力发电、太阳能光伏发电、太阳能光热发电等在世界范围内取得了飞速发展。

由于风能等可再生能源自身特点决定了风电、太阳能发电等是典型的随机性、间歇性电源。其大规模并网发电对电网的安全稳定和运行调度等诸多方面均有很大影响。特别是随着可再生能源发电规模的不断扩大，对电网的影响将更加显著，这已成为制约可再生能源发电规模化发展的严重障碍。

电解水制氢是一种高效、清洁的制氢技术，其制氢工艺简单，产品纯度高，氢气、氧气纯度一般可达99.9％，是最有潜力的大规模制氢技术。特别是随着目前可再生能源发电的日益增长，氢气将成为电能存储的理想载体。通过将可再生能源发电经过电解水制氢技术，将可再生能源产生的电能转化为氢能进行储存，并且根据实际需要，还

可通过后续化工过程将氢能转化为甲烷、甲醇及其他液态燃料等。

目前我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一。工业规模的制氢方法主要包括甲烷蒸汽重整和电解水制氢，其中电解水制氢的产量约占世界氢气总产量4％。尽管甲烷蒸汽重整是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃料，而且产生大量二氧化碳。电解水制氢工艺过程简单，产品纯度高，通过采用可再生能源作为能量来源，可现氢气的高效、清洁、大规模制备，该技术也可以用于CO2的减排和转化，具有较为广阔的发展前景。

目前的电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是目前非常成熟的制氢方法，目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解制氢技术，该方法工艺过程简单，易于操作。电解制氢的主要能耗为电能，每立方米氢气电耗约为4.5～5.5kWh，电费占整个电解制氢生产成本的80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。

2、电解水制氢技术

2.1 碱性电解水电解制氢

碱性电解水制氢装置是由若干个单体电解池组成，每个电解池由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。通入直流电后，水在电解池中被分解，在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。通常电解液都是氢氧化钾溶液，浓度为20wt%～30wt%。隔膜主要由石棉组成，起分离气体的作

用，两电极主要由金属合金组成，如Raney Nickel（雷尼镍），Ni-Mo 合金等，起着分解水，产生氢和氧的作用。

由能斯特方程可知，电解池的工作温度越高，电解电压将越低，但温度升高会增加对电解池隔膜材料的腐蚀，石棉在碱液中长期使用温度不能超过100℃，因此工业上广泛使用的碱性水溶液电解池操作温度为70～80℃，气体压力为0.1～3MPa。

碱性电解水解制氢是目前最成熟的大规模制氢方法。到目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解池水电解制氢技术，该方法工艺过程简单，易于操作。但其电能消耗较大，每立方米氢气电耗约为 4.5～5.5kW•h，电费占整个电解水制氢生产费用的80％左右。由于碱性电解池技术较为成熟，目前对其研究相对较少，国内外对其关注的热点主要集中在碱性电解池制氢设备的开发方面。尽管在水电解制氢设备的开发方面取得了一定进展，但其能耗大、成本高的关键性问题仍没有解决。

2.2 固体聚合物电解水制氢

与碱性电解水制氢技术相比，固体聚合物电解水制氢（SPE）技术主要有以下三方面的优势：

（1）固体聚合物电解水制氢以固体聚合物膜为电解质, 电解循环中没有碱液流失、腐蚀等问题，并且由于固体聚合物电解质膜较薄，减小了电解过程的欧姆损失，提高了系统的效率；

（2）固体聚合物电解质隔膜，具有良好的化学稳定性, 高的质子传导性, 良好的气体分离性等优点，提高了电解池的安全性，增加了气体

纯度，并且由于较高的质子传导性，固体聚合物电解水制氢可在较高的电流密度下工作，从而增大了电解效率；

（3）固体聚合物电解水制氢采用膜电极三合一结构，类似于碱性电解池中的零间距电解池结构，因此降低了能耗。目前固体聚合物电解水制氢效率可以达到约80％。

固体聚合物电解水制氢具有环境友好、纯度高、效率高等优点，发展潜力很大，近年来受到各国的普遍重视。第一台SPE电解池是由通用电气公司在1966年研制出来，当时主要用于空间技术。随后日本开展了World Energy Network （WE-NET）计划，对SPE电解池进行了大量的研究。近年来SPE水电解制氢技术成为制氢领域的研究热点之一。美国在SPE水电解制氢领域处于世界领先水平，其研究主要用于空间技术及海军核潜艇中的供氧装置。在90年代美国就已研制出采用的SPE电解池水电解供氧装置，并已应用在“海浪级”核潜艇上，该装置其工作压力约21MPa，电流密度1.4A/cm2，由100个小室组成，氢气和氧气纯度在99.99％以上，电解池体积仅为碱性电解池的几分之一。日本在WE-NET计划支持下，成功研制了电极面积为0.05m2的高性能SPE电解池，在常压下，工作温度80℃，小室电压为1.53V，电流密度可达到1A/cm2，电流效率为99.2％。2.3 高温固体氧化物电解水制氢

高温固体氧化物电解水电解制氢的最早报道是在1982年，德国科学家（W.Doenitz在HOTELLY项目的支持下）首次成功实现了利用第一代电解质支撑的管式SOEC实现了制氢。此后，西屋电气公司

和日本原子能研究所相继开展了管式SOEC高温电解制氢的试验和研究。西屋电气公司电解池在1000℃下最大产氢速率可达到17.6Nl/h；日本原子能研究所的R.Hino等采用了两种固体氧化物电解池：管式和平板式，其中管式电解池950℃下最大产氢密度为44Ncm3/cm2h，平板式电解池50℃下最大产氢密度为38Ncm3/cm2h。虽然管式SOEC制备简单，不存在高温密封问题，但是由于高温下材料性能的限制、清洁高效的高温热源的缺乏和当时化石燃料的价格低廉等问题，该方法未得到工业化应用。直到2004年美国爱达荷国家实验室（INL）和盐湖城Ceramics陶瓷技术公司利用单体固体氧化物电解池组装的平板式高温电解堆，产氢能力超过60NL/h，使SOEC 又成为电解水制氢领域的研究热点。

高温固体氧化物电解水电解制氢与碱性电解和SPE电解水制氢相比，高温电解降低了电能消耗，较大地提高了系统制氢效率，而且高温条件下电解，电极动力学性能显著改善，减少了电解过程的能量损失，较高地提高了电解效率。另外高温条件下电解，电极可采用非贵金属催化剂，降低了电解制氢成本，并且SOEC为全陶瓷材料结构避免了材料腐蚀问题。

尽管高温条件使SOEC的系统效率和电解效率都有较大提高，但高温使电解池关键材料的选择上受到了一定限制，特别是平板式SOEC，高温对无机密封和双极板连接板材料要求更加苛刻。其次，尽管从原理上讲，SOEC是SOFC反应的逆过程，SOEC与SOFC对材料的基本性能要求相似。但是当电池模式转换为电解模式后，工作