電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用總結(jié)歸納

1、精心整理電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng) 用1、引言隨著國民經(jīng)濟(jì)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 I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(jìn)經(jīng)濟(jì)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(guān)注。在能源安全與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，技術(shù)相對成熟、具備規(guī)I 三二'l/L_模化開發(fā)條件的風(fēng)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(fēng)能等可再生能源自身特點(diǎn)決定了風(fēng)電、太陽能發(fā)電等是典型的隨機(jī)性、 間歇性電源。具大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)行調(diào)度等諸多方面均

2、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(kuò)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(yán)重障礙。 ？電解水制氫是一種高效、清潔的制氫技術(shù)，具制氫工藝簡單，產(chǎn)品純度高，氫 I I .氣、氧氣純度一般可達(dá) 99.9%,是最有潛力的大規(guī)模制氫技術(shù)。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(shù)，將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行儲存，并且根據(jù) 實(shí)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

3、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2019年一9月精心整理4%。盡管甲烷蒸汽重整是目前最經(jīng)濟(jì)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(shù)也可 以用于CO2勺減排和轉(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(shù)，該方法工藝 過程簡單，易于操作。電解制氫的主要

4、能耗為電能，每立方米氫氣電耗約為 4.55.5kWh,電費(fèi)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(shù)特別適i /_/ / 4）用于風(fēng)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(shù)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"''"I棉組成，起分離氣體的作用，兩電極主要由金屬合金組成，如 Raney?Nickel （雷尼 銀），N

5、i-Mo合金等，起著分解水，產(chǎn)生氫和氧的作用。 I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 100c ,因此工 業(yè)上廣泛使用的堿性水溶液電解池操作溫度為 7080C,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(shù)，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4.55.5kW?h,電費(fèi)占整個2019年9月精心整理電解水制氫生產(chǎn)費(fèi)用的80%左右。由于堿性電解池技術(shù)較為成熟，目前對其

6、研究相對較少，國內(nèi)外對其關(guān)注的熱點(diǎn)主要集中在堿性電解池制氫設(shè)備的開發(fā)方面。盡管 在水電解制氫設(shè)備的開發(fā)方面取得了一定進(jìn)展，但其能耗大、成本高的關(guān)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(shù)相比，固體聚合物電解水制氫( SPE技術(shù)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(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1 "_/ / 4/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(xué)穩(wěn)定性，？高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，？良好的氣 體分離性等優(yōu)點(diǎn)，提高了電解池的安全性，

7、增加了氣體純度，并且由于較高的質(zhì)子傳導(dǎo)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(dá)到約80%。？,"" "I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(diǎn)，發(fā)展?jié)摿艽?，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， I當(dāng)時主要用于空間技術(shù)。隨后日本開展了 World?Energy?Network? (WE-NET計劃，對SPE電解池進(jìn)行了大量的研究。近年來 S

8、PE水電解制氫技術(shù)成為制氫領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)之一。美國在 SPE水電解制氫領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，其研究主要用于空間技 術(shù)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(yīng)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 2019年9月精心整理堿性電解池的幾分之一。日本在WE-NE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 80C,小室電壓為1.53V,電流密度可 達(dá)到1A/cm2,電流效率為99.2%。？2.3

9、?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(xué)家（W.Doenitz在HOTELL頓目的支持下）首次成功實(shí)現(xiàn)了利用第一代電解質(zhì)支撐的管式SOE篌現(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(yàn)和研究。 西屋電氣公司電解池在1000 c下最大產(chǎn)氫速率可達(dá)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 板式，其中管式電解池950c下最大產(chǎn)氫密度為44Ncm3/cm2h平板式電解池50c下 最大產(chǎn)氫密度為38Ncm3/cm2h雖然管式SOE甯備簡單，不存在高溫密封問題，但

10、是由于高溫下材料性能的限制、清潔高效的高溫?zé)嵩吹娜狈彤?dāng)時化石燃料的價格 低廉等問題，該方法未得到工業(yè)化應(yīng)用。直到2004年美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室（INL）和鹽湖城Ceramics陶瓷技術(shù)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SOECI成為電解水制氫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。？ "" "I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，而且高溫條件下電解，電極動力學(xué) I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

11、化劑，降低了電解制氫成本，并且SOEC;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勺系統(tǒng)效率和電解效率都有較大提高，但高溫使電解池關(guān) 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(jī)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，SOE徨SOFCE應(yīng)的逆過程，SOEC2019年9月精心整理與SOFC寸材料的基本性能要求相似。但是當(dāng)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急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(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電是將可再生的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。到 2

12、007年底，風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng)問題的日益突出， 全國風(fēng)電場普遍存在棄風(fēng)問題，經(jīng)濟(jì)損失巨大?；谏鲜鲈?，通過電解水制氫技 術(shù)，將棄風(fēng)電能轉(zhuǎn)換為氫能作為載體進(jìn)行儲存，并通過對氫能的綜合利用，實(shí)現(xiàn)棄 風(fēng)電能的充分利用。？i / 廣 /O上述三種電解水制氫技術(shù)均可用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，各有不同優(yōu)缺點(diǎn)。？(1)堿性電解水制氫技術(shù)成熟、成本低、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用，但是風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性相對較差，需要針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源特點(diǎn)開發(fā)適宜于風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)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(shù)較為成熟、具有較好的變工況運(yùn)行特

13、性，較為工I _j適宜于風(fēng)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(jìn)一步限制了 "" "I固體聚合物電解水制氫技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。？(3)高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)具有較高的電解效率(90%Z上)，由于高I溫電解制氫工作溫度較高，需要額外接入風(fēng)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(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。?綜合來看，由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)規(guī)模較大，較為適宜于大規(guī)模的電解制氫 技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)宜采用堿性電解水制

14、氫技術(shù)。？2019年一9月4?、電解水制氫技術(shù)在太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用?用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)主要有：堿性電解水制氫技術(shù)和固體聚合物電解水制氫技術(shù)。由于光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模遠(yuǎn)小于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具制氫規(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(jī)，要求與其 相匹配的電解制氫裝置具有良好的變工況運(yùn)行及頻繁起停運(yùn)行特性。因此，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)宜采用固體聚合物電解水制氫技術(shù)。？5?、電解水制氫技術(shù)在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光熱發(fā)電技術(shù)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(yīng)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

15、設(shè)備中直接或 間接產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有裝機(jī)容量大、無需無功補(bǔ)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(shù)在設(shè)備制造、前期建設(shè)、電廠 運(yùn)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(shí)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(jī)容量 295萬千瓦，我國目前尚處于商 工I _j用化運(yùn)行前期。能源局規(guī)劃預(yù)期到 2015年底，我國將建成光熱發(fā)電總裝機(jī)容量 100 "" "I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 I解水

16、制氫技術(shù)。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)生電能，可實(shí)現(xiàn)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(jìn)一步增 加太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。？6、？結(jié)論能源安全與環(huán)境保護(hù)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 2019年9月精心整理環(huán)境問題的必由之路。其中技術(shù)相對成熟、具備規(guī)?；_發(fā)條件的風(fēng)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(shù)是實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為氫載體進(jìn)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(dāng)今最成熟的制氫技術(shù)，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(shù)；固體聚合物電解水制氫 具有適宜于變工況運(yùn)行及頻繁