可再生能源電解制氫技術(shù)及催化劑的研究進展

顏祥洲(湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

國內(nèi)電解水生產(chǎn)氫氣技術(shù)以氫源供給來看所占的比例并不是很高，電力成本與關(guān)鍵部件的開發(fā)，為造成其能耗不低、約束其進步的關(guān)鍵。研究人員給出多種途徑來處理以上問題，如通過對電力的使用，進而處理電力成本問題，找出性能更為優(yōu)異的析氫催化劑，進而來實現(xiàn)對能耗的降低，總結(jié)了很多的經(jīng)驗且獲得了較大成果。基于對低碳能源以及推動氫能產(chǎn)業(yè)進步的考慮，應(yīng)該把以下領(lǐng)域融合討論，一起推進。

1 電解水制氫技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)氫氣方面，電解水制氫屬于非常重要的技術(shù)措施，由電能來供應(yīng)能量，促使水分子出現(xiàn)電化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生H2以及O2。對于水分解反應(yīng)來講，通?？梢詫⑵浞殖蓛蓚€部分，也就是陰極析氫以及陽極析氧。按照電解質(zhì)的差異，目前可把該項技術(shù)分成以下幾類：第一類為堿性電解水制氫，用AWE來表示；第二類為質(zhì)子交換膜電解水制造氫氣，用PEM來表征；第三類為固體氧化物電解水制氫，用SOEC來代表[1]。參數(shù)比較如表1所示。其中AWE是最為成熟的，存在著諸多的優(yōu)勢，技術(shù)安全、生產(chǎn)費用不昂貴、易于進行操作等，不過它的電解效率不高，通常介于60%至75%之間；PEM也有著多項優(yōu)點，如反應(yīng)沒污染、轉(zhuǎn)換效率理想及結(jié)構(gòu)較為緊湊，不過它所需成本較高，所以沒有達到大規(guī)模運用；SOEC由于有著很高運行溫度，通常處于600～1 000 ℃的范圍，故而有著較為理想的轉(zhuǎn)化效率，不過高溫約束了材料選取，還處在研究環(huán)節(jié)。

表1 電解水制氫技術(shù)參數(shù)比較

2 電解水制氫催化劑

2.1 過渡金屬基電催化劑

到目前為止，探索便宜、儲量充足以及活性理想的電催化劑，為科學研究的關(guān)鍵所在。對于過渡金屬基電催化劑來講，它有著非常理想的催化性能，可以實現(xiàn)對貴金屬的取代。把一些相關(guān)的過渡金屬(如鐵元素)同相關(guān)的非金屬元素(如：O、S及N)復合，可提升催化性能，同時獲得了不錯的發(fā)展。

2.2 單原子催化劑(SACs)

何謂單原子催化劑(用SACs來表示)，一般就是基于活性金屬，通過原子形式進而產(chǎn)生的催化劑，在和載體進行融合之后會產(chǎn)生電子形態(tài)，所以無論是催化活性還是原子使用率，都是較為理想的。通過SACs有助于更好解釋催化劑的構(gòu)效關(guān)系，并且在多相以及均相催化方面起到了橋梁的作用。Pt的吸附自由能同零相接近，所以是比較科學的催化劑。不過昂貴的生產(chǎn)成本以及較少的儲量，約束了Pt的商業(yè)運用。處理以上問題有著以下思路：首先，對非貴金屬催化劑進行開發(fā)；其次，通過提升Pt使用率，進一步來提升Pt原子的消耗。SACs的出現(xiàn)可以更好使用金屬，同時節(jié)省成本，向HER的開發(fā)提供了思路。SACs的合成策略一般包含缺陷工程以及空間限域等[1]。

3 驅(qū)動電解水制氫

3.1 氫能源技術(shù)路線比較

基于天然氣重整制氫技術(shù)來看，它的發(fā)展是比較快的，但是其制氫成本也會被天然氣價格所影響。在2018年時，中國發(fā)展成最大的天然氣進口國。就天然氣來說，它的對外依存度是比較高的，在國際環(huán)境越來越緊張的情況下，貿(mào)易摩擦逐漸加劇，隨著新冠疫情傳播，還有我國多煤炭、少石油及天然氣的特點，促進天然氣制氫技術(shù)的發(fā)展，還應(yīng)進一步探討。

我國在煤化工產(chǎn)業(yè)上獲得了較快發(fā)展，這也促使煤制氫技術(shù)逐漸比較完善，還能開展大規(guī)模制氫作業(yè)，然而實際進行生產(chǎn)時，會釋放大量二氧化碳，還應(yīng)與碳捕集封存技術(shù)融合運用，該項技術(shù)也可叫做CCS?，F(xiàn)階段CCS技術(shù)還在持續(xù)探索中，應(yīng)促進這項技術(shù)的研究發(fā)展，全面減少能耗及成本，在后續(xù)發(fā)展中，應(yīng)將該項技術(shù)當成大規(guī)模制氫的途徑，以減少生產(chǎn)成本[2]。

借助低碳電力驅(qū)動方式，來開展電解水制氫，通常是借助可再生能源發(fā)電，對電催化水分解形成的氫氣進行驅(qū)動，在這之中的電力涉及風電及光伏等。針對可再生能源發(fā)展來看，能源儲備是比較大的，在開發(fā)力度上也處在中上水平，結(jié)合國際能源署相關(guān)報告得知，在2020年，我國能源裝機容量就達到了全球的50%，雖然政府對風能及太陽能項目沒有過多補貼，但在后續(xù)發(fā)展中，我國的可再生能源獲得了持續(xù)增產(chǎn)，上升了50%以上，遠超了過去幾年的水平，這也同我國2060年“碳中和”的目標一致。

3.2 電力制氫問題

利用可再生能源開展制氫作業(yè)，有利于促進氫能產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展，是行之有效的方式，但還是有著一系列的問題及挑戰(zhàn)。第一，發(fā)電過程中存在的問題。針對可再生能源而言，它極易被季節(jié)及氣候因素影響，導致出現(xiàn)間歇及隨機等問題。第二，制氫成本方面的問題?；诩夹g(shù)的逐漸成熟，還有供應(yīng)鏈競爭越來越激烈，在原來的發(fā)展中，發(fā)電成本越來越小，然而相較于化石燃料發(fā)電，還應(yīng)進一步分析，想要有效增強價格競爭力，需要對能源消納問題加以重視，這會對制氫成本產(chǎn)生較大的影響。第三，發(fā)電并網(wǎng)存在的問題。就我國的能源資源分布來看，基本上都位于西部地區(qū)，但對電力的使用，通常是在東部及南部地區(qū)比較大，怎樣實現(xiàn)并網(wǎng)、輸送及消納之間的協(xié)調(diào)，這是現(xiàn)階段亟需解決的難題。第四，電力制氫應(yīng)用上存在的問題。針對風力及光伏資源來看，我國有著非常大的儲量。但是對于棄光地區(qū)而言，他們并非急需地區(qū)，這就會出現(xiàn)氫氣運輸方面的問題，怎樣達到安全可靠運輸，全面減少運輸氫氣的成本，并科學應(yīng)用氫氣，這是氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)該重視的問題。

3.3 電力制氫優(yōu)勢

第一，能夠很好地解決發(fā)電運行中存在的問題。一系列棄風等行為造成的棄電，這是有效促進電解水制氫技術(shù)的動力，基于可再生資源儲備而言，針對資源較多的地區(qū)，可為其配備相應(yīng)的電解槽制氫裝置，從而更好地處理發(fā)電運行中的一系列問題，促進環(huán)保措施的有效運用。第二，科學消納可再生能源。想要制造低成本氫，需要獲得低成本電力的支持，如此才能實現(xiàn)電解槽長期運行。伴隨太陽能和風力的開發(fā)，其發(fā)電成本越來越低，在日后發(fā)展中，可再生能源平價發(fā)展，能夠為電網(wǎng)電力制氫奠定夯實基礎(chǔ)。第三，達到能源有效利用。根據(jù)成本及環(huán)保方面來看，借助可再生能源開展電解水制氫，不但能夠促進氫能低成本發(fā)展，實現(xiàn)大規(guī)模制備，還能更好地處理碳排放問題，促進清潔能源合理應(yīng)用[3]。

4 光伏發(fā)電制氫

4.1 利用太陽能的制氫技術(shù)

伴隨人們對氫能需求的越來越多，借助水作為原料，借助太陽能制氫是目前世界各國的一致目標。借助太陽能制氫的方式是非常多的，如光電化學分解水制氫等。在這之中，光伏發(fā)電制氫獲得了較快的發(fā)展。

現(xiàn)階段，借助光伏發(fā)電制氫，主要是利用太陽能光伏板，將其同電解槽實行連接，并劃分成兩個系統(tǒng)，一種是間接連接，另一種是直接耦合。針對間接系統(tǒng)來看，它是現(xiàn)階段運用比較廣泛的方式，其中涉及的部件有蓄電池及電解槽等。該設(shè)計方式主要是借助蓄電池能以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)化器，來完成電壓及電流的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)電解槽的相關(guān)要求。這一系統(tǒng)能夠全面實現(xiàn)電解槽性能，確保其安全運行；不足之處是轉(zhuǎn)化器等設(shè)備的使用，在一定程度上提高了系統(tǒng)成本，在這一過程中，還會產(chǎn)生電能傳遞損失，從而減小系統(tǒng)效率。就直接耦合系統(tǒng)而言，一般是利用光伏陣列同電解槽的有效配合，在這一系統(tǒng)中，可以不用蓄電池等設(shè)備，好處是該系統(tǒng)比較簡單，極大降低了故障出現(xiàn)的幾率，從而減少相關(guān)的維修成本。結(jié)合有關(guān)研究顯示，應(yīng)根據(jù)該地區(qū)氣候及日照等條件，科學設(shè)計光伏陣列等構(gòu)成，相較于傳統(tǒng)的間接連接，這種直接的耦合連接可以進一步增強制氫效率。

基于光伏發(fā)電制氫來看，其優(yōu)點包含下述幾點：第一，光伏發(fā)電存在一定的隨機性及階段性等特征，可以把光能及電能結(jié)合起來，通過電解水制氫技術(shù)完成，促進能量的科學使用，并將能量儲存了起來，是科學處理該問題的重要手段。第二，就光伏發(fā)電制氫來看，這項工藝的操作較為簡單，并且相關(guān)的運維難度也很低，應(yīng)結(jié)合場地實際需要，開展模塊化組合，針對分布式能源而言，在后續(xù)發(fā)展中，應(yīng)注重供應(yīng)燃料電池的研發(fā)，這是促進能源有效運用的關(guān)鍵措施。第三，光伏發(fā)電對于可再生能源發(fā)展具有關(guān)鍵性的作用，電解水制氫能夠促進清潔能源的開發(fā)及利用，是行之有效的措施。將兩者有機融合，能夠更好地滿足國家綠色能源的發(fā)展要求，滿足全球能源發(fā)展及環(huán)境治理的需要。

4.2 問題與建議

在光伏發(fā)電過程中，最重要的就是電網(wǎng)問題，由于自身電力缺乏穩(wěn)定性，若是不借助電網(wǎng)開展，將很難達到這一應(yīng)用要求。由此可知，電網(wǎng)配套問題對光伏發(fā)電發(fā)展有著較大的影響，借助間接及直接耦合方式，實現(xiàn)電解水制氫，還應(yīng)進一步評價。我國在光伏新增規(guī)模上獲得了較大的發(fā)展，然而其核心技術(shù)是從國外引入的，這對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一項挑戰(zhàn)，不利于光伏制氫技術(shù)的發(fā)展。因為本地區(qū)存在較大的棄光棄電問題，現(xiàn)階段光伏發(fā)展應(yīng)轉(zhuǎn)移至中東部，這也使得集中式裝機獲得了較快的發(fā)展，怎樣促進光伏制氫技術(shù)進步，是應(yīng)該研究的問題。針對上網(wǎng)成本問題，基于光伏補貼政策的減少，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對光伏發(fā)電制氫有著關(guān)鍵性的作用，針對光照資源較好的地區(qū)，可擴大發(fā)展規(guī)模，發(fā)揮示范作用。就核心技術(shù)問題來看，應(yīng)提高光伏及氫能技術(shù)的研究力度，加大相關(guān)的投入，借助目前的示范項目開展技術(shù)攻關(guān)，增強核心競爭力。

5 風力發(fā)電制氫

5.1 利用自然風能的制氫技術(shù)

就風力發(fā)電制氫來看，一般是借助風力驅(qū)動形成電能，通過電解水來制氫，再把它運送到應(yīng)用終端。該項技術(shù)包含兩種類型，依次是并網(wǎng)型及離網(wǎng)型。針對并網(wǎng)型而言，主要是借助風電機組，將其與電網(wǎng)相連，借助電網(wǎng)電力，開展電解水制氫，大部分都運用在大規(guī)模風電場；針對離網(wǎng)型來看，一般是借助風電機組形成電能，然后利用電解水制氫裝置，并不用電網(wǎng)分配，大部分都會運用在分布式制氫技術(shù)中。

5.2 存在的問題與建議

針對技術(shù)問題來看，該項技術(shù)在電能方面的要求非常高，但風電卻有著很大的隨機性，會導致電力供應(yīng)反復波動，不利于制氫設(shè)備合理使用，對電能合理匹配產(chǎn)生了較大影響。在運用方面，現(xiàn)階段的用氫單位大部分為化工企業(yè)，由于運輸及存儲成本問題，企業(yè)往往借助傳統(tǒng)制氫方式完成。在高純氫氣利用上，有著非常多的用戶，但其實際用量相對較小，氫燃料電池還在發(fā)展中，沒有大規(guī)模運用的環(huán)境。應(yīng)致力于關(guān)鍵技術(shù)的研究。根據(jù)風電間歇性等問題，探討技術(shù)的突破，從而節(jié)省開發(fā)成本，增加技術(shù)效率，并提高質(zhì)子交換膜等技術(shù)的投入，從而達到生產(chǎn)要求。促進海上風電制氫的研究。現(xiàn)階段都是借助并網(wǎng)型方式，由于輸電線路容量，風電場同氫氣用戶之間的距離比較近，根據(jù)區(qū)域角度，需求較大的企業(yè)大部分都位于沿海地區(qū)，可開展海上風電項目，從而解決電力及氫能運輸方面的問題。

6 結(jié)語

也能持續(xù)促進電解水制氫的研究，是有效落實低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施，有利于更好地解決我國依賴化石能源的問題，解決氫氣產(chǎn)能方面的問題。就電解水制氫來看，應(yīng)持續(xù)完善制氫技術(shù)，最大程度地減少生產(chǎn)成本及能耗，增加生產(chǎn)效率。針對核心部件方面，如電解槽等，應(yīng)提高研發(fā)力度，從而更好地解決發(fā)展中的系列問題，進一步促進氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。