基于可再生能源純水電解制氫技術(shù)展望

駢 松，孫邦興，楊 華

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056000)

1 緒論

1.1 我國(guó)可再生能源電力的消納問(wèn)題

自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，煤、石油、天然氣這些傳統(tǒng)的化石能源是人類(lèi)發(fā)展中最主要的一次能源[1]，然而隨著化石能源的不斷消耗，資源的不斷短缺以及由此帶來(lái)的全球變暖、生態(tài)氣候環(huán)境不斷惡化的今天，可再生清潔能源的大力開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為解決能源危機(jī)的當(dāng)務(wù)之急[2]。我國(guó)幅員遼闊，既有西北部的風(fēng)能，又有東部沿海的水電能，但因其本身具有不均勻性、間斷特性，這就會(huì)對(duì)并網(wǎng)輸送時(shí)電網(wǎng)帶來(lái)沖擊，引起電網(wǎng)的波動(dòng)和不安全。這些電能不能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，因此造成了可再生能源的大量浪費(fèi)，出現(xiàn)大量的“棄水、棄風(fēng)、棄光”。

1.2 氫能源的優(yōu)勢(shì)

儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源能被有效利用和大力開(kāi)發(fā)過(guò)程中扮演著重要角色。在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，氫能和氫儲(chǔ)能具有明顯優(yōu)勢(shì)。作為可再生二次能源的氫能具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能量密度高，其能量密度可達(dá)142,351 kJ/kg，是除核燃料外能量密度最高的燃料，且其燃燒發(fā)熱值約是汽油的3倍。②可循環(huán)性，氫氣化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物只有清潔的水，因此具有可循環(huán)性。③清潔性，與其他固液燃料相比較，氫氣的反應(yīng)產(chǎn)物很單一，只有純水，沒(méi)有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等污染環(huán)境的氣體。④氫能的普遍性，由于它的反應(yīng)產(chǎn)物水廣泛存在于自然界，再加上氫氣具有可循環(huán)性，因此獲取氫氣無(wú)資源壁壘問(wèn)題[3]。

此外，對(duì)于那些不均勻性、間斷特性的大量“棄水、棄風(fēng)、棄光”，氫氣是一種理想的能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)，氫氣作為能源載體的優(yōu)勢(shì)在于：①氫能和電能之間可以通過(guò)中間環(huán)節(jié)電解水技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩者的相互聯(lián)系；②氫氣也可以被壓縮儲(chǔ)存，甚至可以成為液氫，具有很高的能量密度；③氫氣可以成比例放大應(yīng)用到電網(wǎng)。

1.3 氫能發(fā)展現(xiàn)狀及意義

大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，不僅將顛覆傳統(tǒng)的化石能源行業(yè)，而且對(duì)于交通運(yùn)輸方面也將大大改觀，比如：氫能燃料電池汽車(chē)，它既沒(méi)有碳排放，環(huán)保清潔，而且續(xù)航能力強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物只有水。這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重大作用，可使我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展從數(shù)量增長(zhǎng)型轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量增長(zhǎng)型。

氫能源汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模：2025年可達(dá)500億元。氫能源汽車(chē)產(chǎn)量：2025年預(yù)計(jì)超過(guò)5萬(wàn)輛。我國(guó)現(xiàn)擁有豐富的低成本的氫氣資源，中國(guó)約有300萬(wàn)噸副產(chǎn)氫和工業(yè)制氫可用作動(dòng)力氫直接使用，無(wú)需新增投。并且棄電可制得約170萬(wàn)噸氫氣，可供應(yīng)數(shù)百萬(wàn)輛燃料電池車(chē)輛使用。并且政府明確支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給予了大力補(bǔ)貼。

同時(shí)一次能源的現(xiàn)狀為，2017年我國(guó)石油對(duì)外依存度為68.85%，天然氣對(duì)外依存度為38.77%，且進(jìn)口量逐年增長(zhǎng)。氫能作為可再生的二次清潔能源，如果能夠得到有效的大力開(kāi)發(fā)和利用，就可以?xún)?yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，成為未來(lái)能源轉(zhuǎn)換的中心支柱。全球多數(shù)國(guó)家高度重視氫能源的發(fā)展，如美國(guó)、日本、德國(guó)甚至將發(fā)展氫能源提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，不斷加大對(duì)氫能源和燃料電池研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的扶持力度。我國(guó)具有豐富的氫能源供給經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，每年的風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源用于電解水制氫的約有200萬(wàn)噸，在未來(lái)的發(fā)展中有望成為中國(guó)氫能源供給的主要來(lái)源。

2 水電解制氫技術(shù)

2.1 制氫技術(shù)

目前主流的制氫技術(shù)分為一次不可再生能源制氫、水電解制氫、太陽(yáng)能光解制氫等方式。我國(guó)工業(yè)用氫絕大部分是通過(guò)化石燃料制氫的方式獲得的[4-5]，然而一次不可再生能源有限，且反應(yīng)過(guò)程中會(huì)有污染環(huán)境的雜質(zhì)氣體，因此它是一種不可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。

電解水制氫技術(shù)已相當(dāng)成熟，工藝簡(jiǎn)單，制取的氫氣和氧氣純度高，其優(yōu)點(diǎn)有：①工藝流程簡(jiǎn)單；②制氫過(guò)程不僅環(huán)保，而且反應(yīng)產(chǎn)物氫氣純度高，最重要的是這種制氫方式?jīng)]有有害雜質(zhì)氣體的排放；③消耗電力較大，可以考慮將可再生能源用于發(fā)電制氫；④基于制氫設(shè)備啟動(dòng)快，響應(yīng)迅速，且運(yùn)行負(fù)載范圍較寬，可以較好地適應(yīng)和匹配可再生能源電力的波動(dòng)性。而且由于電解水制氫技術(shù)本身耗電量較大，平均每產(chǎn)生1立標(biāo)方氫氣要消耗5度電能，制氫成本較高，故而未大規(guī)模使用。然而可以利用上述的大量“棄水、棄風(fēng)、棄光”用于發(fā)電來(lái)制取清潔的二次能源氫氣，這樣的制氫方式不僅提高了可再生能源的利用率和占比，而且降低了制氫成本[6]。

2.2 水電解制氫技術(shù)的發(fā)展

水電解制氫的原理是在制氫設(shè)備中通入穩(wěn)定的直流電，純水在直流電的作用下，在電解小室的陰極側(cè)產(chǎn)生氫氣，在電解小室的陽(yáng)極側(cè)產(chǎn)生氧氣。發(fā)展至今，主要有三種不同類(lèi)型的水電解制氫設(shè)備：堿性電解，聚合物薄膜電解以及固體氧化物電解。其中堿性電解是技術(shù)最為成熟，市場(chǎng)占有率最大且使用時(shí)間最長(zhǎng)，易于操作；固體氧化物電解的制造工藝比較復(fù)雜，材料和壽命均處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，還未大規(guī)模應(yīng)用在工程實(shí)際中；聚合物薄膜電解槽(Proton exchange membrane)也稱(chēng)質(zhì)子交換膜電解，它將傳統(tǒng)堿性電解槽中的隔膜和電解質(zhì)替換為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)是催化劑構(gòu)成的多孔電極，它的導(dǎo)電原理與堿性的液體導(dǎo)電原理有著根本的不同，是靠氫離子的定向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而氫離子的移動(dòng)是依靠固定在膜網(wǎng)絡(luò)上的磺酸根離子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。膜電極組件(membrane electrode assembly,MEA)是PEM電解槽運(yùn)行過(guò)程中電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的場(chǎng)所，是PEM電解池的“心臟”。

2.3 PEM水電解制氫與傳統(tǒng)堿性水電解制氫的對(duì)比

純水PEM制氫相比于傳統(tǒng)堿性水電解制氫有以下優(yōu)點(diǎn)：①兩級(jí)室的分隔物不同，PEM型的分隔物是分子級(jí)微孔的離子膜，厚度很小，它不易產(chǎn)生氫反滲透；然而傳統(tǒng)堿性的隔膜不是分子級(jí)微孔，故易產(chǎn)生氫反滲透。②兩者的電極不同，PEM型的催化電極屬于分子級(jí)微孔，緊貼于離子膜兩邊及其內(nèi)部孔道間，是一種零極距催化電極，它的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)面積大，轉(zhuǎn)換效率高；而傳統(tǒng)堿性的電極間有最小距離限制，極間電阻大，導(dǎo)致電流變大，發(fā)熱量高，轉(zhuǎn)換效率低。③兩者的電解槽結(jié)構(gòu)不同，PEM型的電解槽內(nèi)兩級(jí)室的集電器結(jié)構(gòu)緊密且有彈性，從而使得電解槽重量輕、體積小，重量?jī)H是相同產(chǎn)氫量的普通電解槽的1/3，優(yōu)點(diǎn)是零極距，槽內(nèi)阻小；而傳統(tǒng)堿性電解槽內(nèi)極室的集電器沒(méi)有彈性，從而電能熱損失高，轉(zhuǎn)換效率低。④兩者的電解液不同，PEM型只需要純水，不需任何添加物，沒(méi)有腐蝕性液體，從而對(duì)壞境無(wú)污染，同時(shí)氣體純度也高；而傳統(tǒng)堿性電解液中需要添加15%NaOH或30%KOH，因此電解液腐蝕性強(qiáng)，易產(chǎn)生沖液污染負(fù)載管路。⑤兩者電解槽內(nèi)的電傳導(dǎo)方式不同，PEM型中氫離子是在具有活性的質(zhì)子交換膜中移動(dòng)，從而在陰極產(chǎn)生還原氫氣；而傳統(tǒng)堿性是正、負(fù)離子在水溶液中分別運(yùn)動(dòng)，從而在兩級(jí)產(chǎn)生氫氧氣體。此外，PEM水電解技術(shù)被譽(yù)為制氫領(lǐng)域極具發(fā)展前景的水電解制氫技術(shù)之一，它與傳統(tǒng)堿性水電解制氫相比，除有以上優(yōu)點(diǎn)外，還具有氣體輸出壓力高，純度好。并且電流密度大，電推小型化，便于集成，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要那么多的輔助設(shè)備，所以安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)少、易于操作。同時(shí)，PEM電解水制氫的系統(tǒng)響應(yīng)速度快，適應(yīng)動(dòng)態(tài)操作，這非常適用于可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能輸電的不均勻性、間歇性。而傳統(tǒng)堿性水電解的響應(yīng)速度比較慢，不如PEM電解水制氫技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 PEM水電解技術(shù)與可再生能源的結(jié)合

我國(guó)可再生能源資源豐富，例如我國(guó)北部的風(fēng)能資源以及東南部沿海的水能資源，基于PEM電解水制氫系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，適應(yīng)動(dòng)態(tài)操作的特點(diǎn)，可以利用上述的“棄水、棄風(fēng)、棄光”等可再生能源消納制氫，將制取的氫氣作為可再生的二次能源或是燃料應(yīng)用在工業(yè)P2G中，是近年來(lái)氫儲(chǔ)能和能源循壞的發(fā)展思路。氫儲(chǔ)能技術(shù)已被認(rèn)為是解決“棄水、棄風(fēng)、棄光”問(wèn)題的最有效途徑，目前國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛研究，并在部分地區(qū)建成了示范運(yùn)行項(xiàng)目。例如在挪威的優(yōu)特西拉島就有一個(gè)風(fēng)能和氫能相互轉(zhuǎn)換的著名案例，那是在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了一套風(fēng)力發(fā)電和氫氣儲(chǔ)能發(fā)電相結(jié)合的供電系統(tǒng)。當(dāng)島上的風(fēng)力較大，風(fēng)能電力過(guò)剩時(shí)，可以通過(guò)水電解技術(shù)來(lái)制取氫氣并儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，氫氣則會(huì)通過(guò)燃料電池產(chǎn)生需要的電力，從而保證島上居民的正常用電[7-8]。

4 可再生能源制氫技術(shù)展望

利用可再生能源制氫，結(jié)合氫能源燃料電池技術(shù)發(fā)電，形成可持續(xù)能源發(fā)展的理念，這樣的可循環(huán)能源發(fā)展思路非常適合我國(guó)國(guó)土遼闊，可再生能源豐富但不均勻的國(guó)家。針對(duì)于那些不能并網(wǎng)使用的“棄水、棄風(fēng)、棄光”，利用這些可再生能源發(fā)電制取氫氣不僅降低了直接的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)于推動(dòng)可循環(huán)能源利用、氫能源的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。2019年日本G20期間，國(guó)際能源署IEA發(fā)表了氫能報(bào)告，指出：今日的氫能與以往有所不同，將以前所未有的勢(shì)頭蓬勃發(fā)展，各國(guó)要抓住機(jī)遇發(fā)展氫能。我國(guó)具有豐富的氫能供給經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大，不斷實(shí)施頂層規(guī)劃，明確氫能作為能源產(chǎn)品的相關(guān)法規(guī)體系，持續(xù)完善氫能管理相關(guān)的法律法規(guī)體系，不斷推動(dòng)可再生能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。隨著全球氫能源的發(fā)展，相信早日能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展。