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关于我国电解水制氢技术发展现状与建议的报告

2021-01-30 13:00:28 236

在全球变暖、化石能源枯竭、生态环境恶化、极端气候频发、污染日益严重的今天,发展可再生能源被高度重视。在2020年12月18日闭幕的中央经济工作会议上,“做好碳达峰、碳中和工作”被列为明年的重点任务之一,我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和的目标也被再次强调。碳中和的目的是消减二氧化碳,因此要大力发展光能、电能等可再生能源,然而可再生能源自身的间歇性、波动性造成了大量的“弃光、弃风、弃水”解决该问题最有效的途径是将可再生能源电力与电解水技术结合,制取高纯度氢气。规模化生产零排放零污染的绿氢,实现可再生能源消纳与储存。在实现我国“  能源自主 ”战略中占有重要地位,具有较大的发展潜力。本文主要分析了国内外电解水制氢发展现状,通过从技术、设备与可再生能源综合分析总结。基于我国电解水技术发展状况,重点剖析我国制氢技术发展的瓶颈问题,针对性指出未来发展趋势。


一、发展电解水制氢的原因

 

国内范围来看,目前氢气最主要的来源于化石能源重整制氢(包括煤制氢、天然气制氢等)占比达到96%。电解水制氢方面,规模占比约为4%。可以看出无论是国内还是国外,电解水制氢都只占极低的比例,未来为什么要发展电解水制氢?化石能源重整制氢会造成大量的二氧化碳排放,考虑到碳排放的处理成本,化石能源制氢已不具有优势。电解水制氢可以实现全生产过程中二氧化碳零排放,技术相对成熟,被各界寄予厚望。

 

目前中国能源结构正逐渐从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局,国家发展和改革委员会与国家能源局联合发文,支持探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能,实现可再生能源多途径就近高效利用。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测,到2050年之后,70%氢气将来源于可再生能源,可以看出可再生能源电解水制氢未来将成为主流。


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二、水电解制氢技术分析

 

电解水制氢是在直流电的作用下,通过电化学过程分离为氢气和氧气,分别在阴、阳两极析出。根据电解质不同主要分为碱性电解水(ALK),质子交换膜电解水(PEM),固体氧化物电解水(SOEC)三大类。目前碱性电解槽技术最为成熟,生产成本较低,国内单台最大产气量为1200立方米/小时;质子交换膜水电解槽流程简单,能效较高,产量能做到单槽每小时260立方米的氢气,但因使用贵金属电催化剂等材料,成本偏高;固体氧化物水电解槽采用水蒸气电解,高温环境下工作,能效最高,但尚处于实验室研发阶段。


(一)碱性电解水制氢技术(ALK)


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碱性液体水电解原理示意图


碱性水电解技术已是一种非常成熟的低温电解技术, 最大电流密度在0.25A/cm²,能效率在60%左右。运行寿命可达20年。操作范围负荷的变化从10%-110%,可能需要多模块的控制策略才能实现。碱性水电解制氢具备加工工艺简易、实际操作便捷、以氢氧化钾,氢氧化钠水溶液为电解质,与其他电解槽技术相比,碱性电解水避免了因使用贵重材料而带来的成本负担,加工过程不容易造成CO2等空气污染物,且商品纯净度高(一般达到99%~99.99%)等优势,技术应用更为普遍。适合于大规模的制氢场合。因碱液电解槽制氢技术的成熟性,商业化程度优于其他制氢技术,目前几十兆瓦规模以上的可再生能源制氢项目以碱性电解槽为主。


碱性电解槽是目前能运用于大容量系统的有效技术,但产能低,且电解槽的耐久性、可靠性仍有很大改善空间。需进一步提升其实用性,攻关制氢系统柔性耦合间歇、波动可再生能源的工程技术难题,


 

(二)质子交换膜电解水制氢(PEM)

 

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质子交换膜水电解制氢原理


由于碱性液体电解质电解槽仍存在着诸多问题需要改进,促使固体聚合物电解质(SPE)水电解技术快速发展。首先实际应用的SPE为质子交换膜(PEM),因而也称为PEM电解。以质子交换膜替代石棉膜,传导质子,并隔绝电极两侧的气体,这就避免了碱性液体电解质电解槽使用强碱性液体电解质所带来的缺点。同时,PEM水电解池采用零间隙结构,电解池体积更为紧凑精简降低了电解池的欧姆电阻,大幅提高了电解池的整体性能。PEM电解系统可以在最低功率保持待机模式,能在短时间内按高于额定负荷的标准运行,它可以适应比较快速、范围比较大的变化,更容易跟可再生能源风、光资源去配合。PEM电解槽的运行电流密度通常高于1A/cm2,至少是碱水电解槽的四倍以上,具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠、可实现更高的产气压力等优点,被公认为制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一。

 

但是它的缺点是设备成本比较高,使用贵金属催化剂,国内系统大多使用的是进口的质子交换膜,膜的国产化还有一些问题。它的优点在于适合小规模的分布式制氢的场所,目前国内最大产量只能做到单台每小时260立方米的氢气,碱性可以做到1200立方米的氢气,还有一个量级的差别。

 

(三)固体氧化物电解水(SOEC)

 

SOEC在未来可能成为一种颠覆当前格局的技术,从提高能效角度来看,SOEC技术采用固体氧化物作为电解质材料,可在400-1000℃的高温下工作,具有能量转化效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点,因而理论效率可达100%。除了较高的转化效率外,还可以直接通过蒸汽和CO2生成合成气,以用于各种应用,例如液体燃料的合成。利用与光热发电厂(可利用太阳辐射在现场同时生产蒸汽和电力,并且具有高容量系数)的协同作用,可确保所有输入能源完全为可再生能源。

 

SOEC对材料要求比较苛刻。在电解的高温高湿条件下,常用的Ni/YSZ氢电极中Ni容易被氧化而失去活性,其性能衰减机理和微观结构调控还需要进一步研究。常规材料的氧电极在电解模式下存在严重的阳极极化和易发生脱层,氧电极电压损失也远高于氢电极和电解质的损失,因此需要开发新材料和新氧电极以降低极化损失。其次,在电堆集成方面,需要解决在SOEC高温高湿条件下玻璃或玻璃–陶瓷密封材料的寿命显著降低的问题。若在这些问题上有重大突破,则SOEC有望成为未来高效制氢的重要途径。量将减少约6×109t,为限制全球变暖的2℃目标贡献20%的力量。

 

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(四)对我国电解水制氢发展的几点建议

 

1、加强电解制氢技术的开发


电解制氢技术要想在间歇性电源的储能环节中获得广泛应用,首先必须满足对间歇性电源功率波动的适应性,因此需要深入研究电解制氢装备的功率波动适应性,开发大功率、低成本和高效率工业化碱性电解水制氢技术。同时,开发可快速响应功率波动的固体聚合物电解水制氢技术。


2、鼓励用可再生能源制氢来代替传统的化石能源


用可再生能源制氢来代替传统的化石能源,在这方面可能还有很长的路要走。另外各个地方政府虽然出台了一些规划,大部分局限在交通领域,没有在传统的工业领域、能源领域出台鼓励用绿氢代替化石能源的引导和激励措施。还有,氢能行业整体的监管政策还不完善,直接与可再生能源制氢相关的政策还比较少,这些鼓励政策大部分都是鼓励燃料电池生产或者燃料电池汽车的生产,很少有对制氢和运氢的环节来进行补贴的一些措施。


3、制定技术标准


加强技术标准的研究制定,完善氢能行业的监管政策法规,加强行业监管,确保行业的健康发展。可再生能源制氢有很好的发展前景。随着我国可再生能源发电量的提高,还有可再生能源制氢成本竞争力的提升,可再生能源制氢一定会在以后的能源结构中占有一席之地,能够起到越来越的作用,也能逐步从灰氢过渡到绿氢,实现碳的减排和改善国家能源体系这么一个重任。

 

4、制定可再生能源制氢相关政策


参考国家能源局制定的政策,制定可再生能源制氢相关政策。水电解制氢站是类似于电解铝等的高耗能产业,用电负荷的增加有利于电能的消纳,电网应增加可再生能源的发电上网指标,吸收利用更多清洁电能。出台直供电售电政策,电网公司收取相应过网费后,可直接向制氢站供电,统筹调度风电与太阳能等新能源发电资源,确保水电解制氢供电的稳定性。


PGO氢能与燃料电池产业研究院

研究部

2021年01月24日



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