PEM型電解水制氫設(shè)備在電廠的應(yīng)用

孫邦興,楊 華,駢 松

(中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

作為火電廠重要組成部分的發(fā)電機組，在實際的運行過程中會因為電力的損失導(dǎo)致產(chǎn)生大量的熱量，需采用冷卻劑對發(fā)電機組進行冷卻。氫氣比重小、擴散快，具有高導(dǎo)熱性(為空氣導(dǎo)熱系數(shù)的8.4倍)，并且易于輸送，因而經(jīng)常作為機組的冷卻介質(zhì)[1]。為保證冷卻發(fā)電機組內(nèi)氫氣的充足，一般需要在電廠內(nèi)設(shè)置供氫站。根據(jù)布置方案的不同，電廠內(nèi)氫站有以下三種情形[2]:一是電廠內(nèi)安裝電解水制氫裝置，在需要時自行制備氫氣用以供應(yīng)；二是電廠購買瓶裝的壓縮氫氣，在需要時用以供應(yīng)；三是電廠接通供氫管道，直接滿足廠內(nèi)氫氣的需求。在上述三種方案中，后兩種需要外購氫氣，而電廠內(nèi)的電能比較富余，安裝制氫設(shè)備有利于節(jié)約運營成本，因此許多大型火電廠都是安裝制氫設(shè)備，通過電解水制得氫氣并貯存于專門的儲氫罐中，用以在發(fā)電機組需要冷卻介質(zhì)時提供氫氣。

根據(jù)電解質(zhì)種類的不同，水電解制氫技術(shù)可以分為堿性水電解制氫技術(shù)、固體氧化物水電解制氫技和質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)水電解制氫技術(shù)和三種[3]。采用堿性液作為電解質(zhì)的堿性水電解制氫技術(shù)是最早發(fā)展起來的電解水制氫技術(shù)，也是到目前為止技術(shù)最為成熟、成本最為低廉的電解水制氫技術(shù)，也正因為如此，電廠內(nèi)制氫站的制氫設(shè)備最常用的技術(shù)是堿性水電解制氫技術(shù)。但堿性電解制氫技術(shù)有電解質(zhì)電導(dǎo)率低、電解槽效率低和工作電流低的缺點[4]，為改善這種狀況，以高分子聚合物作為電解質(zhì)的PEM電解水制氫技術(shù)得以發(fā)展，且其有工作電流密度高(最高可達(dá)10000～30000A/m2)和體積小的優(yōu)點，目前被認(rèn)為是發(fā)展前景最廣闊的電解水制氫技術(shù)[5]。本文將從PEM電解水制氫技術(shù)的原理及其經(jīng)濟性等方面評估該技術(shù)在大型發(fā)電廠制氫站中推廣使用的可行性。

1 PEM純水電解制氫技術(shù)的原理

圖1 PEM水電解原理圖Fig.1 Schematic diagram of water electrolysis for PEM

PEM型電解水制氫技術(shù)的原理如圖1所示。電解槽小室由膜電極、質(zhì)子交換膜等組成。膜電極及其噴涂在其表面的催化劑作為PEM型電解槽的核心部件，很大程度上決定了電解槽及整個制氫設(shè)備的性能。堿性電解水制氫設(shè)備的電解槽小室所用的中間隔膜通常為無機的石棉隔膜或者非石棉隔膜，對于氫氣和氧氣的隔絕效果較差，會導(dǎo)致最終的產(chǎn)品氫氣的純度較差，而PEM型電解水制氫設(shè)備的電解槽采用的高分子聚合物質(zhì)子交換膜只能通過氫離子，會使產(chǎn)品氫氣的純度較高。當(dāng)PEM型電解水制氫設(shè)備運行時，電解質(zhì)純水在電解小室的陽極經(jīng)催化反應(yīng)被分解為氧氣、電子和氫離子。氫離子以水合氫離子的形式通過質(zhì)子交換膜，并在電解小室的陰極處得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣[6]。

2 PEM型電解水技術(shù)在電廠的應(yīng)用分析

當(dāng)火電廠的發(fā)電機組采用氫氣作為冷卻介質(zhì)時，對于提供的氫氣的純度、濕度和壓力等參數(shù)有嚴(yán)格的要求。當(dāng)供氫的壓力高于規(guī)定值時，會造成機組內(nèi)氫氣的泄露，使得冷卻效果下降；而當(dāng)氫氣的壓力低于規(guī)定值時，將難以保證冷卻發(fā)電機組的氫氣量，也會使得冷卻效果下降。當(dāng)氫氣純度低于規(guī)定值時，一方面會使氫氣的冷卻效果因氫氣下降而變差，直接影響到發(fā)電機的效率[7]，另一方面，發(fā)電機組的絕緣性也會因氫氣純度的下降而下降，對于發(fā)電機的安全運行將產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[8]。實驗數(shù)據(jù)表明：如果發(fā)電機組內(nèi)的氫氣純度下降1%，將會造成發(fā)電機內(nèi)的轉(zhuǎn)子損耗和通風(fēng)損耗增加11%[9]。表1為某超超臨界發(fā)電機組對冷卻介質(zhì)氫氣的相關(guān)參數(shù)的規(guī)定值。

2.1 制氫設(shè)備的制氫量及選擇

火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)程要求，發(fā)電廠自建的電解水制氫設(shè)備的總的容量能力應(yīng)能保證氫冷機組的正常氫氣消耗量以及在7天之內(nèi)為1臺最大功率的發(fā)電機組制取一次啟動充氫量之和。根據(jù)上述表1所示的該氫冷發(fā)電機組的參數(shù)，其所需配備的電解水制氫設(shè)備的能力應(yīng)為10Nm3/h。單臺堿性電解水制氫設(shè)備和PEM型電解水制氫設(shè)備的制氫能力就能滿足上述要求。

表1 某超超臨界機組啟動所需氫氣參數(shù)Table 1 hydrogen parameters required for the start-up of an ultra-supercritical plant

2.2 2 種電解水制氫的技術(shù)比較

堿性電解水制氫系統(tǒng)主要由電解槽、堿液分離器、洗滌器、冷卻器、堿液過濾器、堿液循環(huán)泵、自動補水裝置、堿液制備及貯存裝置、氫氣純化裝置以及在線式的氫氣純度檢測裝置等模塊組成，工藝流程相對較為復(fù)雜。PEM型電解水制氫設(shè)備只需要純水作為電解槽中電解質(zhì)，同時其質(zhì)子交換膜對氫氣和氧氣的阻隔作用良好而使系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)大為簡化[10]。PEM型電解水制氫與堿性電解水制氫技術(shù)參數(shù)比較如表2所示。

表2 堿性和PEM型電解水制氫技術(shù)比較Table 2 comparison between alkaline electrolysis and PEM electrolysis for hydrogen production

從表2可以看出，與堿性電解水制氫技術(shù)相比，PEM型電解水制氫技術(shù)有以下幾個優(yōu)點：

(1)質(zhì)子交換膜只允許水合氫離子單向通過，能夠?qū)Ψ磻?yīng)產(chǎn)物氧氣和氫氣起到良好的隔絕作用，因而其產(chǎn)生的氣體純度較高，安全性較好。而堿性電解水制氫設(shè)備的電解槽多采用無機的石棉材料或者非石棉材料作為小室的中間隔膜，對氣體的隔絕效果較差。

(2)PEM型電解水制氫設(shè)備的電解槽小室的電極間距較小，采用直噴法技術(shù)的電解槽的極間距可以做到200μm以下，使得電解槽的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時能夠極大的降低小室的工作電壓，因而制取單位體積氫氣的能耗也將降低。

(3)PEM型電解水制氫設(shè)備采用純水作為電解質(zhì)，相比堿性設(shè)備采用氫氧化鉀或者氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)，能有效降低電解質(zhì)對于制氫設(shè)備電解槽和管道的腐蝕，對環(huán)境也更友好。

(4)維持額定的氫氣壓力，對于保證發(fā)電機組的穩(wěn)定運行和發(fā)電系統(tǒng)的安全性有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在普遍采用的間隔補充氫氣方式會造成氫氣壓力的波動不穩(wěn)，從而造成導(dǎo)熱的不穩(wěn)定以及氫密封壓力的波動。而PEM型電解水制氫設(shè)備的可以從0到100%之間任意智能連續(xù)調(diào)節(jié)氫氣的制取量，且響應(yīng)時間短，可以與發(fā)電機直連，實現(xiàn)自動化補氫，如圖2所示。采用直聯(lián)補充氫氣的方式能使得氫氣的壓力和純度穩(wěn)定在機組的設(shè)計要求。

圖2 PEM電解水制氫設(shè)備與發(fā)電機直連示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct connection between PEM electrolytic water hydrogen production equipment

正式基于上述顯著的技術(shù)優(yōu)勢，使得PEM型電解水制氫技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用也原來越廣泛。

2.3 PEM型水電解制氫技術(shù)經(jīng)濟性分析

發(fā)電機組的冷卻效率、風(fēng)擦損耗、發(fā)電效率乃至發(fā)電機組的壽命在很大程度上受氫氣純度的直接影響。氫氣的純度的提高在使機組的冷卻效率提高的同時，也會大大降低因發(fā)電機組高速旋轉(zhuǎn)而造成的風(fēng)擦損耗。國外某大型發(fā)電機組設(shè)備制造廠商的試驗研究表明，單臺發(fā)電能力為1000MW的發(fā)電機組，如果發(fā)電機組內(nèi)的氫氣在額定壓力時，將氫氣純度從95%提高到98%后，將降低685kW的風(fēng)擦損耗，即氫氣的純度每提高1%便可以節(jié)約228kW的能源浪費。對于上述表1某2×660MW超超臨界的發(fā)電機組，氫氣純度每提高1%，單臺機組便能減少166kW的風(fēng)擦損耗。按照每年8000小時的發(fā)電時間計算，共節(jié)能166kW×8000h=1328000kW·h，按照電價0.25元/( kW·h)計算，每年每臺機組可節(jié)省33.2萬元，2臺機組每年便可節(jié)能66.4萬元。

正因為PEM水電解制氫所具有的這些技術(shù)優(yōu)勢，使這種先進的制氫技術(shù)在國內(nèi)和國外的電廠都得到了廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

PEM電解水制氫技術(shù)是一種安全、清潔、高效的制氫技術(shù)，相比傳統(tǒng)的堿性電解水制氫設(shè)備，有著不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。雖然目前PEM電解水的制氫成本較堿性電解水制氫設(shè)備的成本較高，但通過上述的經(jīng)濟分析可以看出，其設(shè)備本身的成本劣勢可以通過運行時經(jīng)濟優(yōu)勢進行彌補。