水 電 解 制 氫 技 術(shù)

王健

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

氫能是實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、燃料網(wǎng)、熱力網(wǎng)“三網(wǎng)”之間彼此銜接、清潔高效轉(zhuǎn)化的重要紐帶，在構(gòu)建多種能源形式彼此互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)，打造清潔、低碳、高效、靈活的能源體系中發(fā)揮著重要作用。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、使用等核心環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)水平提高和規(guī)?；a(chǎn)能夠使整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的成本降低，從而促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展，助力國(guó)家“3060”雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)公布，自2021年2月以來(lái)，在全球范圍內(nèi)宣布131個(gè)大型氫能開發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)。預(yù)估到2030年，全球氫能領(lǐng)域投資總額將達(dá)到5000億美元。國(guó)際能源理事會(huì)預(yù)計(jì)，2050年在全球終端能源消費(fèi)量中氫能的占比可達(dá)25%?？缃鐨淠芎献魇钱?dāng)前能源、化工、制造企業(yè)之間的熱點(diǎn)；其中針對(duì)氫動(dòng)力火車，氫燃料電池汽車、卡車，氫燃料船舶等交通工具的研發(fā)尤為重要。

2021年10月25日，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等部門《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2021〕1464號(hào)）中提出：到2025年，通過(guò)實(shí)施節(jié)能降碳行動(dòng)，鋼鐵、電解鋁、水泥、平板玻璃行業(yè)能效達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過(guò)30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)［1］。圖1為中國(guó)氫能流向圖。

圖1 中國(guó)氫能流向圖（2019年數(shù)據(jù)）

1 氫的特性

氫的原子序數(shù)為1，是元素周期表中第一個(gè)、最小和最輕的元素，其化學(xué)性質(zhì)活潑。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，氫氣是無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味的。氫是含量最豐富的元素，是最環(huán)保、潔凈的能源，熱值為汽油的三倍，著火點(diǎn)低，體積分?jǐn)?shù)為18%～65%，易爆炸。氫能效率高，是可儲(chǔ)存的二次能源。氫氣密度是天然氣的1/8左右。氫氣與天然氣特性對(duì)比見表1。

表1 氫氣與天然氣的特性對(duì)比

與甲烷相比，氫氣在高溫下更易揮發(fā)，氫可以分解成2個(gè)原子（H），這些原子能夠滲入鋼中并再次結(jié)合為H2，這將導(dǎo)致材料中的張力不均勻，產(chǎn)生氫脆而致使鋼失去強(qiáng)度。在輸送氫氣或含氫混合氣體時(shí)，需要選擇合適的輸送管道。

2 主要制氫技術(shù)

目前制氫的主要來(lái)源是化石燃料、水電解和化工副產(chǎn)物。各制氫方式工藝對(duì)比見表2。

表2 各制氫方式工藝對(duì)比情況

續(xù)表2

2.1 水電解制氫

水電解制氫工藝主要有三種，一是堿性水電解制氫、二是PEM水電解制氫、三是固體氧化物水電解制氫技術(shù)（SOEC）。堿性水電解制氫多采用鐵為陰極面，鎳為陽(yáng)極面的串聯(lián)電解槽（外形似壓濾機(jī)）來(lái)電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液［2］。陽(yáng)極出氧氣，陰極出氫氣。國(guó)內(nèi)堿性水電解制氫設(shè)備單臺(tái)穩(wěn)定最大產(chǎn)氣量為1000 m3/h。堿性水電解制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，且工作溫度較低，無(wú)需使用貴金屬作為催化劑，制造成本見圖2。

圖2 產(chǎn)能1000 m3/h的堿性水電解制氫設(shè)備制造成本

PEM水電解制氫工藝具有工作電流密度高、電解效率高、反應(yīng)無(wú)污染、裝備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。隨著PEM水電解技術(shù)的不斷突破，與可再生能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深度耦合，可使其成為電網(wǎng)調(diào)峰的理想能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換裝置。SOEC制氫技術(shù)仍處于研發(fā)階段。三種水電解制氫工藝對(duì)比見表3。

表3 三種水電解制氫工藝對(duì)比

續(xù)表3

2.2 堿性水電解制氫工藝

2.2.1 堿性水電解制氫工藝簡(jiǎn)介

堿性水電解制氫系統(tǒng)主要由電解槽、氣液處理器（框架）、加水泵、水堿箱、控制柜、整流柜、整流變壓器和阻火器等部分組成，由槽體、陽(yáng)極、陰極構(gòu)成電解槽。浸沒(méi)在電解液中的一對(duì)電極中間隔以防止氣體滲透的隔膜構(gòu)成水電解池，當(dāng)通以一定的直流電時(shí)，水就發(fā)生分解，在陰極析出氫氣，陽(yáng)極析出氧氣。

雙極式電解槽雖然也是由多個(gè)并列的電解池（小室）構(gòu)成，但是是由若干電解池以串聯(lián)的方式靠一組電源供電，并不是獨(dú)立供電的陽(yáng)極與獨(dú)立供電的陰極，總共只有一個(gè)陽(yáng)極與一個(gè)陰極。圖3為雙極式電解槽結(jié)構(gòu)與原理示意圖。

圖3 雙極式電解槽結(jié)構(gòu)與原理示意圖

電解槽的一端是陽(yáng)極板，另一端是陰極板，中間有若干極板把電解槽分成多個(gè)小室。每?jī)蓚€(gè)極板間有隔膜。在陽(yáng)極板與陰極板總電勢(shì)作用下，中間各極板均勻的分配電勢(shì)，使每個(gè)小室組成有陽(yáng)極板與陰極板的電解池。每個(gè)小室的陽(yáng)極板同時(shí)是緊鄰小室的陰極板，同樣陰極板也是緊鄰小室的陽(yáng)極板，一塊極板正反兩面具有相反極性，故稱之為雙極板。［3］

氫、氧分離器中的電解液經(jīng)連通管匯集，經(jīng)堿液過(guò)濾器除去機(jī)械雜質(zhì)后，由循環(huán)泵經(jīng)流量開關(guān)打入電解槽，形成閉環(huán)系統(tǒng)，保證連續(xù)運(yùn)行，堿性水電解系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 堿性水電解系統(tǒng)圖

電解槽隔膜主要由起分離氣體作用的石棉組成，金屬合金組成陰極、陽(yáng)極，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，產(chǎn)生氣體壓力0.1～3.0 MPa，總體效率62%～82%。堿性水電解技術(shù)沒(méi)有使用貴金屬材料，適合于大規(guī)模的制氫場(chǎng)合，其使用壽命可以達(dá)到20年，技術(shù)成熟，投資和運(yùn)行成本低，操作范圍負(fù)荷的變化從10%～110%，但也存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問(wèn)題。

2.2.2 堿性水電解制氫工藝過(guò)程

在電解槽內(nèi)，水在電的作用下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，分解生成氫氣和氧氣。從電解槽輸出的氫氣，經(jīng)過(guò)氫氣分離器和純化洗滌后獲得純度99.999%的氫氣，通過(guò)氫氣管道輸入到緩沖罐中以備使用。從電解槽出來(lái)夾帶氫氣和氧氣的堿液在氫分離器和氧分離器中，分別與氫氣、氧氣分離，后經(jīng)過(guò)冷卻、循環(huán)泵和過(guò)濾器后再次進(jìn)入電解槽、形成循環(huán)。水電解過(guò)程中堿起到增加電導(dǎo)作用。

2.3 水電解制氫產(chǎn)業(yè)化及關(guān)鍵環(huán)節(jié)路徑

水電解制氫是重要的制取綠氫的方法，電解槽的市場(chǎng)由于水電解制氫規(guī)模的提升而迅速增加。然而綠氫由于電價(jià)和水電解制氫系統(tǒng)導(dǎo)致制造成本居高不下，其中電解槽作為大規(guī)模制氫的關(guān)鍵裝備，在制氫系統(tǒng)總成本中的占比近一半。因此，如何改進(jìn)電解槽對(duì)于制氫成本的降低起著關(guān)鍵性的作用。

堿性水電解制氫的主要環(huán)節(jié)包括：

①堿性水電解工藝的優(yōu)化和提升；

②核心裝備電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效率低成本制造、性能檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)化；

③堿性水電解裝備配套材料的優(yōu)化和升級(jí)；

④滿足制造相應(yīng)部件材料的加工裝備。

針對(duì)特殊行業(yè)如玻璃行業(yè)、水泥行業(yè)等，在峰谷電價(jià)差大的地區(qū)用氫作為儲(chǔ)能介質(zhì)，運(yùn)行電-氫-電循環(huán)轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定用電負(fù)荷，穩(wěn)定電氣緊缺地區(qū)的企業(yè)峰谷電平衡能力。

3 氫能在玻璃熔窯中應(yīng)用

氫氣是綠色清潔能源，并且熱值高、適合替代化石燃料。根據(jù)國(guó)內(nèi)當(dāng)前主流玻璃窯爐運(yùn)行狀況，對(duì)其進(jìn)行綠色清潔燃料改造和升級(jí)，有效降低碳排放，氫能科學(xué)研究?jī)r(jià)值和生態(tài)效益顯著。

圍繞玻璃熔窯氫能應(yīng)用，研究氫氣燃燒熔窯仿真模擬及動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，火焰燃燒特征，輻射傳熱效率的影響規(guī)律；開展窯型結(jié)構(gòu)、燃燒控制、噴槍、水蒸氣/羥基控制等關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)；提出適應(yīng)玻璃生產(chǎn)工況的安全儲(chǔ)氫、輸氫、窯前混合等解決方案。建成示范線并實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)氫能替代率≥30%，燃燒過(guò)程降低CO2排放的效果。

秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司有著近70年的技術(shù)沉淀，創(chuàng)新研發(fā)了許多新型窯爐及燃燒系統(tǒng)配套技術(shù)，具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。研發(fā)并完成世界第一條超大噸位優(yōu)質(zhì)浮法玻璃生產(chǎn)線；研發(fā)并完成國(guó)內(nèi)最大規(guī)模、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的800 t/d級(jí)高水蒸氣、高堿蒸汽全氧燃燒窯爐；在國(guó)內(nèi)最早使用高氫燃料進(jìn)行大規(guī)模平板玻璃生產(chǎn)；最早完成玻璃熔窯多種燃料混合燃燒技術(shù)；以上各工程技術(shù)的應(yīng)用為氫氣制造、輸送、控制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有助于氫能在玻璃生產(chǎn)線的實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

堿性水電解制氫技術(shù)工藝較為成熟，也存在耗電大、生產(chǎn)成本高、工作電流密度較低、堿液流失、設(shè)備腐蝕問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效率低成本制造，配套材料的替換和升級(jí)，制造新部件的裝備，全面提升水電解制氫技術(shù)和水平，為穩(wěn)定生產(chǎn)氫能提供技術(shù)支撐和條件保障。通過(guò)提高設(shè)備壓力（＞5 MPa），延長(zhǎng)使用壽命（＞20年），解決現(xiàn)有堿性水電解制氫存在的短板。制氫技術(shù)也向著高能效、大容量、寬功率、低成本、集成式、模塊化的方向發(fā)展。