一種綠氫制備用高效低成本復(fù)合水電解槽技術(shù)及裝備的開發(fā)

饒文濤 魏 煒 蔡方偉 李文武 吳亦偉

寶武清潔能源有限公司

0 前言

氫氣是一種清潔環(huán)保的二次能源，目前主要的制氫工藝包括水電解制氫、光/熱催化制氫、礦物燃料制氫以及生物制氫。其中，水電解制氫可用于消納光伏、風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)生的棄電，將電能轉(zhuǎn)化為氫能，具有氫氣純度高、生產(chǎn)流程無污染、制氫規(guī)模靈活可調(diào)等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)包括了堿性水電解技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)、固體氧化物電解水技術(shù)和離子交換膜電解水技術(shù)等。其中，主流的電解水制氫技術(shù)為堿性水電解技術(shù)和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)，然而堿性水電解技術(shù)存在制氫響應(yīng)慢、槽壓相對較低和電解槽電流密度低等問題，質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)存在建設(shè)和運(yùn)維成本高等問題。另外，在控制器方面，傳統(tǒng)的水電解制氫裝置控制設(shè)備通常采用PLC控制實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)安裝復(fù)雜且安全性、抗干擾性、可靠性較差。

本文開發(fā)了一種混合式電解水的綠氫制備系統(tǒng)，將兩種不同電解槽進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)造一種混合式電解水制氫系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)設(shè)備利用率及系統(tǒng)氫氣生產(chǎn)能力，保證了氫氣用戶的正常穩(wěn)定生產(chǎn)，同時(shí)，采用云服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可對制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守、集中管理以及遠(yuǎn)程故障診斷功能，降低了檢修頻率以及系統(tǒng)異常開停頻率，節(jié)省了大量維修成本。

1 水電槽發(fā)展的現(xiàn)狀[1-4]

對于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而言，大量的廉價(jià)低碳排放氫氣需求是十分迫切的。目前，新能源發(fā)電與電解槽的成本下降使廉價(jià)低排放的氫能獲取成為可能。全球范圍內(nèi)的可再生能源制氫的成本有望從目前的30～60元/kg下降至10～20元/kg，根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，未來可再生能源電解水制氫是可以與沒有碳捕獲的化石燃料制氫相抗衡的。

從目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，電解水制氫在整個制氫領(lǐng)域的占比依然是很小的，而且絕大多數(shù)是小規(guī)模的、比較高的造價(jià)。2018年，全球范圍內(nèi)的水電解槽出貨量大約為135 MW，制氫的成本根據(jù)地理位置的不同大約是2.5～6.8美元/kg。一般來說，傳統(tǒng)的國產(chǎn)堿性電解槽的制造成本遠(yuǎn)低于歐美的堿性槽制造成本。

電解槽制氫產(chǎn)業(yè)的巨大潛力主要是源于制造成本的快速下降。部分國產(chǎn)廠商已經(jīng)證明了在傳統(tǒng)的堿性槽技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)低成本大型化的潛力。同時(shí)，尚待成熟的質(zhì)子交換膜的電解槽的制造成本也在不斷下降?？梢灶A(yù)計(jì)未來國產(chǎn)的堿性電解槽系統(tǒng)成本從目前的1 400元/kW降低至750～900元/kW。到2050年，每千瓦成本有望下降至600元。類似的情況，在質(zhì)子交換膜這個技術(shù)領(lǐng)域，制造成本在2050年也有望降到500～1 300元/kW。

眾多央企集團(tuán)布局水電解制氫領(lǐng)域。2021年上海電氣與中科院大連化物所簽訂兆瓦級PEM電解槽制氫項(xiàng)目，2019年國家電投與德國西門子共同簽署《綠色氫能發(fā)展和綜合利用合作諒解備忘錄》，2020年中國石化集團(tuán)資本有限公司（中石化資本）、恩澤海河（天津）股權(quán)投資基金合伙企業(yè)（恩澤基金）及康明斯（中國）投資有限公司（康明斯中國）在北京簽署合作意向書。

寶武清潔能源技術(shù)中心密切跟蹤國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，與在電解槽領(lǐng)域具有加工能力的合作伙伴等一起針對鋼鐵行業(yè)的氫能應(yīng)用場景，開發(fā)了一種全新的復(fù)合水電解槽技術(shù)。

2 電解制氫技術(shù)概況

電解反應(yīng)是以英國物理學(xué)家、化學(xué)家威廉·尼科爾森（William Nicholson，1753—1815）在1800年發(fā)現(xiàn)的，并開創(chuàng)了電化學(xué)這一新的科學(xué)領(lǐng)域。200年來電解制氫是工業(yè)制氫的主要技術(shù)，后來隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，水電解制氫被效率更高的蒸汽重整制備氫氣取代。目前，水電解制氫技術(shù)又煥發(fā)了生機(jī)，主要的原因是該技術(shù)可以把可再生能源的電力轉(zhuǎn)化為氫氣，將電能轉(zhuǎn)化為一種化學(xué)能進(jìn)行儲存，在這一進(jìn)程中，在傳統(tǒng)的堿性槽電解技術(shù)的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了一種PEM（Polymer electrolyte membrane,聚合物電解質(zhì)膜）的電解新技術(shù)。

目前，主流的電解技術(shù)包括堿性水電解技術(shù)（AEL技術(shù)）、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM技術(shù)）、固體氧化物電解水技術(shù)（SOFC技術(shù)）和陰離子交換膜（AEM技術(shù)）。主流的電解水制氫技術(shù)為AEL（堿性）技術(shù)和PEM（質(zhì)子交換膜）技術(shù)，然而堿性水電解技術(shù)存在制氫響應(yīng)慢、槽壓相對較低、電解槽電流密度低等問題，而質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)在以上三方面均有優(yōu)勢，但是存在成本高的問題。

AEL槽與PEM槽的原理對比見圖1，性能對比見表1。

圖1 PEM槽和傳統(tǒng)堿槽對比

表1 PEM和AEL槽的性能對比

針對以上兩種技術(shù)存在的問題，寶武清潔能源技術(shù)中心結(jié)合寶武集團(tuán)可再生能源比例逐年提高的現(xiàn)狀，通過將兩種水電解技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，希望開發(fā)出一種能克服以上AEL技術(shù)的缺點(diǎn)，同時(shí)又具有PEM優(yōu)良性能，同時(shí)還有性價(jià)比的技術(shù)。

3 復(fù)合電解槽技術(shù)的開發(fā)

本文著手開發(fā)一種混合式電解水的綠氫制備系統(tǒng)，包括供電電源、混合制氫單元、PLC控制器和云服務(wù)器。其中，混合制氫單元包括開關(guān)電源、堿性水電解裝置、質(zhì)子交換膜電解裝置、第一閥門、第二閥門、壓力調(diào)節(jié)單元、氣源泵及氫氣純化單元，將兩種不同電解槽進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)造一種混合式電解水制氫系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)設(shè)備利用率及系統(tǒng)氫氣生產(chǎn)能力，保證了氫氣用戶的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。同時(shí)，采用云服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可對制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守、集中管理以及遠(yuǎn)程故障診斷功能，降低了檢修頻率以及系統(tǒng)異常開停頻率，節(jié)省了大量維修成本。

兩種槽在運(yùn)行范圍、響應(yīng)速度和冷、熱啟動時(shí)間等方面均存在差距，首先需要在控制模式上進(jìn)行統(tǒng)一，然后在系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化，最后形成新的系統(tǒng)。

3.1 復(fù)合（PA）槽控制模式的設(shè)計(jì)

堿性電解槽（AEL）比質(zhì)子交換膜（PEM）的電阻大，運(yùn)行的范圍窄。PEM允許在0和3 A cm2之間運(yùn)行，有更高的電流密度。首要考慮的是寶武使用場景有可再生能源電力的接入，開發(fā)的新系統(tǒng)需要更好地適應(yīng)大量分布式新能源電力的波動性接入，同時(shí)考慮輸入電源端可以采用DC-DC或AC-DC接入兩路供電，配置靈活的水處理模塊，同時(shí)優(yōu)化氣體純化，精確壓力匹配，實(shí)現(xiàn)更廣泛的工作范圍，實(shí)現(xiàn)高兼容性的協(xié)調(diào)控制，勢態(tài)感知能力，最優(yōu)的模式匹配（見圖2）。

圖2 AEL槽和PEM槽水電解槽的操作范圍分析

對現(xiàn)有的AEL系統(tǒng)和PEM控制特性對比見表2。

表2 AEL和PEM的性能比較

新設(shè)計(jì)的PA復(fù)合槽考慮由AEL槽和PEM槽進(jìn)行組合，P是指PEM槽，A是指AEL槽，考慮到PEM槽冷啟動的時(shí)間短，在電源端接入的電是光伏電或風(fēng)電時(shí)，啟動一個PEM槽，此時(shí)AEL槽關(guān)閉，PEM運(yùn)行一段時(shí)間后，同時(shí)啟動AEL槽，此時(shí)AEL和PEM槽同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)外界電力穩(wěn)定了，AEL冷啟動完成后，AEL運(yùn)行，PEM關(guān)閉，系統(tǒng)工作結(jié)束時(shí)，AEL和PEM同時(shí)停止（見圖3）。

圖3 PA的控制模式

3.2 硬件系統(tǒng)的優(yōu)化組成

PA系統(tǒng)不是兩套系統(tǒng)的疊加，而是作了進(jìn)一步的優(yōu)化，具體見圖4。

圖4 PA復(fù)合槽系統(tǒng)配置的優(yōu)化

最后形成的系統(tǒng)流程圖見圖5。

圖5 PA電解槽系統(tǒng)組成圖

供電電源為綠氫制備系統(tǒng)提供電能?；旌现茪鋯卧ㄩ_關(guān)電源、堿性水電解裝置、質(zhì)子交換膜電解裝置、第一閥門、第二閥門、壓力調(diào)節(jié)單元、氣源泵及氫氣純化單元：開關(guān)電源的進(jìn)電端與供電電源相連，開關(guān)電源的供電端與堿性水電解裝置及質(zhì)子交換膜電解裝置均電連接。堿性水電解裝置包括堿性水電解槽、第一汽水分離器、第二汽水分離器、第一洗滌冷凝器和第二洗滌冷凝器，堿性水電解槽上設(shè)有用于供氧氣流出的第一出氣管和用于供氫氣流出的第二出氣管，第一出氣管的遠(yuǎn)端與第一汽水分離器的進(jìn)氣口相連，第一汽水分離器的出氣口與第一洗滌冷凝器的進(jìn)氣口相連，第二出氣管的遠(yuǎn)端與第二汽水分離器的進(jìn)氣口相連，第二汽水分離器的出氣口與第二洗滌冷凝器的進(jìn)氣口相連。

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是開發(fā)了一種混合式電解水的綠氫制備系統(tǒng)，包括供電電源、混合制氫單元、PLC控制器和云服務(wù)器。其中，混合制氫單元包括開關(guān)電源、堿性水電解裝置、質(zhì)子交換膜電解裝置、第一閥門、第二閥門、壓力調(diào)節(jié)單元、氣源泵及氫氣純化單元。將兩種不同電解槽進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)造一種混合式電解水制氫系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)設(shè)備利用率及系統(tǒng)氫氣生產(chǎn)能力，保證了氫氣用戶的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。同時(shí)，采用云服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可對制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守、集中管理以及遠(yuǎn)程故障診斷功能，降低了檢修頻率以及系統(tǒng)異常開停頻率，節(jié)省了大量維修成本（見圖6）。

圖6 PA復(fù)合槽整體組成

3.3 系統(tǒng)的調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)中，綠氫制備系統(tǒng)既可以通過光伏直流接入，也可以通過交流電接入。當(dāng)采用光伏直流電接入后，通過DC/DC接入到電解槽進(jìn)行水電解制氫過程，通過DC/AC將電流通入PLC控制側(cè)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)采用交流電接入后，將電流流入PLC控制側(cè)對整個設(shè)備進(jìn)行管理，通過AC/DC將轉(zhuǎn)換的直流電接入電解槽進(jìn)行制氫操作（見圖7和圖8）。

圖7 電解槽總系統(tǒng)的功率和電流調(diào)試

圖8 PEM槽部分調(diào)試

4 后續(xù)應(yīng)用展望及研究

根據(jù)以上的技術(shù)開發(fā)出BWQN-PA-500、BWQN-PA-1000等兩大系列成套產(chǎn)品，委托加工后，將應(yīng)用于韶鋼500 m3綠氫配套加氫站示范項(xiàng)目、八鋼2 000 m3綠氫配套氫冶金項(xiàng)目（二期擴(kuò)展到4 000 m3）。后續(xù)將進(jìn)一步研究用氫技術(shù)，需要研究氫冶金過程高爐動態(tài)供氫與動態(tài)運(yùn)行控制技術(shù)，提高冶金過程氫氣利用效率。設(shè)計(jì)匹配高爐供氫、熱軋燃?xì)?、冷軋保護(hù)等多用氫場景的氫氣協(xié)同供需控制技術(shù)，提出氫冶金全過程的安全管理與防控方案。研究大功率制氫設(shè)備與氫冶金過程的耦合運(yùn)行控制技術(shù)，提出制氫-冶金全過程熱能綜合利用方案，提高系統(tǒng)能量利用效率，完成制氫設(shè)備的能效評估及經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。

5 結(jié)論

水電解槽將成為綠氫制備的核心裝備，不同的電解技術(shù)——堿性水電解技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)、固體氧化物電解水技術(shù)和陰離子交換膜將適合不同的場景。

通過對水電解槽控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，然后優(yōu)化前后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PA復(fù)合槽融合堿性水電解技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)，并呈現(xiàn)了低電耗、瞬時(shí)響應(yīng)和高性價(jià)比的特點(diǎn)。

氫能在鋼鐵行業(yè)將得到廣泛的應(yīng)用，除了氫高爐外，應(yīng)用在煉鋼切割混氫氣、熱軋加熱用富氫燃料、冷軋熱處理用保護(hù)氣等工序也能有效地降低碳排放。