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、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(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，對(duì)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(wèn)題日益尖銳。新能源資源潛力大，可持續(xù)利用，在滿(mǎn)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(guó)際社會(huì)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(duì)成熟、具備規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電等是典型的隨機(jī)性、間歇性電源。其大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)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(kuò)

2、大，對(duì)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)，其制氫工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，氫氣、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(zhǎng)，氫氣將成為電能存儲(chǔ)的理想載體。通過(guò)將可再生能源發(fā)電經(jīng)過(guò)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(chǔ)存，并且根據(jù)實(shí)際需要，還可通過(guò)后續(xù)化工過(guò)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(guó)氫氣年產(chǎn)量已逾千萬(wàn)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(jì)的制氫方法，但其在生產(chǎn)過(guò)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(guò)程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，通過(guò)采用可再生能源作為能量來(lái)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(shù)，該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)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(fèi)占整個(gè)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

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(gè)單體電解池組成，每個(gè)電解池由陰極、陽(yáng)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(yáng)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(huì)增加對(duì)電解池隔膜材料的腐蝕，石棉在堿液中長(zhǎng)期使用溫度不能超過(guò)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(shù)，該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)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(fèi)占整個(gè)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(duì)其研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(kāi)發(fā)方面。盡管在水電解制氫設(shè)備的開(kāi)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(wèn)題仍沒(méi)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

6、三方面的優(yōu)勢(shì)：（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(méi)有堿液流失、腐蝕等問(wèn)題，并且由于固體聚合物電解質(zhì)膜較薄，減小了電解過(guò)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(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，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(lèi)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。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)

7、展?jié)摿艽螅陙?lái)受到各國(guó)的普遍重視。第一臺(tái)SPE電解池是由通用電氣公司在1966年研制出來(lái)，當(dāng)時(shí)主要用于空間技術(shù)。隨后日本開(kāi)展了WorldEnergyNetwork（WE-NET）計(jì)劃，對(duì)SPE電解池進(jìn)行了大量的研究。近年來(lái)SPE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(guó)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(guó)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(jí)”核潛艇上，該裝置其工作壓力約21MPa，電流密度1.4A/cm2，由100個(gè)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(jì)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(dá)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(bào)道是在1982年，德國(guó)科學(xué)家（W.Doenitz在HOTELLY項(xiàng)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SOEC實(shí)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(kāi)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

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(jiǎn)單，不存在高溫密封問(wèn)題，但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(shí)化石燃料的價(jià)格低廉等問(wèn)題，該方法未得到工業(yè)化應(yīng)用。直到2004年美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)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(guò)60NL/h，使SOEC又成為電解水制氫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(dòng)力學(xué)性能顯著改善，減少了電解過(guò)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(wèn)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(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(duì)無(wú)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，SOEC是SOFC反應(yīng)的逆過(guò)程，SOEC與SOFC對(duì)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(shì)梯度發(fā)生明顯改變，對(duì)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(wèn)題更是亟

11、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2007年底，風(fēng)能已經(jīng)成為主要的能源資源，在世界能源市場(chǎng)上占有了重要的位置。目前由于風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題的日益突出，全國(guó)風(fēng)電場(chǎng)普遍存在棄風(fēng)問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)損失巨大。基于上述原因，通過(guò)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(chǔ)存，并通過(guò)對(duì)氫能的綜合利用，實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)電能的充分利用。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(duì)較差，需要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源特點(diǎn)開(kāi)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

12、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)行特性，較為適宜于風(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%以上），由于高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(lái)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氫技術(shù)。4、

13、電解水制氫技術(shù)在太陽(yáng)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)，其制氫規(guī)模相對(duì)較小，而且光伏發(fā)電的電源也存在一定的波動(dòng)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(yáng)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(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)是采用大面積的太陽(yáng)能反射鏡，通過(guò)追蹤系統(tǒng)，將太陽(yáng)光聚焦到相應(yīng)的接收器上，并加熱流過(guò)接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)，在熱轉(zhuǎn)換設(shè)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(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)具有裝機(jī)容量大、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)充，對(duì)電網(wǎng)沖擊小、年發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)?；笤靸r(jià)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(guò)程中均無(wú)環(huán)境污染，通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電等優(yōu)勢(shì)。截至2013年4月，全球太陽(yáng)能光熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量295萬(wàn)千瓦，我國(guó)目前尚處于商用化運(yùn)行前期。能源局規(guī)劃預(yù)期到2015年底，我國(guó)將建成光熱發(fā)電總裝機(jī)容量100萬(wàn)千瓦。由于太陽(yáng)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(shù)。通過(guò)抽取部分太陽(yáng)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(guò)部分光熱發(fā)電所產(chǎn)生

15、電能，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(guò)對(duì)氫氣的后續(xù)利用等進(jìn)一步增加太陽(yáng)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(guó)能源與環(huán)境問(wèn)題的必由之路。其中技術(shù)相對(duì)成熟、具備規(guī)模化開(kāi)發(fā)條件的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)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(chǔ)的理想載體已越來(lái)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(chǔ)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)