水電解制氫裝置寬功率波動適應性研究

寧 楠

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

水電解制氫裝置寬功率波動適應性研究

寧 楠

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

隨著風電行業的迅猛發展，對風能源的轉化有了迫切需求，對能源轉化系統的風電波動性適應提出了更高要求。氫氣作為清潔的“新能源”成為消化棄風的最佳選擇。利用調整各工藝參數的方法，研究傳統水電解制氫裝置在風電寬功率波動條件下的適應性，并探索相關解決方法。為水電解制氫裝置的進一步改進提供支持，為微電網風電耦合制氫及氫能綜合利用提供理論依據。

風電；水電解制氫；寬功率波動

0 引 言

近年來，風電在我國得到了迅猛發展，但與此同時，越來越多的困難正困擾著風力發電企業和電網公司，概括起來可歸結為兩點：1）不均勻的風力資源分布特征造成若干大型風電場聚集于某些區域，集中的大量風電都需要電網向外輸送，使得原有輸送電網通道不堪重負，大部分風電場上網電量受到限制，造成嚴重的棄風現象。在加快推進電網輸送能力建設的同時，積極探索風電結合其他能源轉換利用技術以提高風電場能源利用效率亦具有重要意義；2）隨著風電規模的逐漸增大，風電的隨機性和波動性特征正在給電網安全性帶來越來越大的挑戰。如何利用經濟高效的儲能技術優化風電品質已成為了全球能源領域一項具有挑戰性的課題[1 – 3]。

氫氣作為一種新型能源受到人們的普遍關注。許多專家認為，未來除了電以外，起重要作用的一種二次能源載體將是氫氣[4]。氫氣具有許多優點，對環境無污染，被譽為清潔的“新能源”。總體來說，氫能具有來源多樣性、潔凈環保、可存儲和可再生等特點，同時滿足資源、環境可持續發展的要求，是極具潛力的能源載體[5]。

電解水制氫系統能夠將多余的電能轉化為氫氣儲存起來，以備需要時作為燃料使用或通過燃料電池重新轉化為電能進行使用。若能解決電解制氫系統與風電的匹配問題，將為日后大規模風電制氫推廣應用積累多方面的基礎數據和經驗，具有重要意義。

1 水電解制氫原理

水存在下面的電離平衡：

將1對電極插入水中，通以電流，氫離子逐漸向陰極移動，在陰極上取得電子被還原為H2。Na+或K+離子在電解液的濃度下，其析出電位要比氫析出電位負得多，因此陰極上H+先放電，析出氫；OH–逐漸移向陽極，陽極失去電子而被氧化為O2（見圖1）。

純水是極弱的電解質，H+及OH–離子濃度極少，在25 ℃時，[H+]=1×10–7M；[OH–]=1×10–7M。所以純水幾乎不導電。所以在水電解時必須加入其他的強電解質，以增強導電能力。此時：

陰 極：4H2O+4e→2H2↑+4OH–，

陽 極：4OH––4e→2H2O+O2↑，

總反應：2H2O→2H2↑+O2↑[6]。

2 電解制氫系統寬功率波動耐受性研究

風能作為一種可再生能源，不確定性因素極多，1臺風機一天內的功率輸出波動范圍非常大，因此就要求制氫系統的功率耐受范圍盡量達到20%～100%，從而能夠盡可能多的利用風能。制氫系統功率波動會對制氫裝置產生一定影響，影響主要有2個方面：一是大幅波動對裝備的壽命影響；二是對產品氣體純度暨系統安全性的影響。本課題主要從安全性角度出發進行討論。

由圖1可見，電解制氫系統工作過程中，陰極和陽極之間設置具有隔氣透水功能的隔膜布，在保證陰陽極之間電解液交換的同時還能保證將絕大部分氫氣和氧氣互相隔絕，防止相互混合。

由于仍有少量的氫氣和氧氣滲透過隔膜，因此在水電解制氫裝置中設有氧中氫純度分析儀和氫中氧分析儀，鑒于氫氣在氧氣中的爆炸極限為4%～95%[7]，其監測范圍為0%～2%，當超出設定范圍時，制氫系統將會自動保護停機。基于水電解制氫裝置本身特性及氫氣滲透性強的特點，氫中氧純度普遍優于氧中氫純度，因此行業內使用氧中氫純度作為衡量電解系統安全性最重要的指標。本實驗使用KZDQ-20/3.2系列水電解制氫裝置，該系統氧中氫純度出廠指標要求為：≤1.5%[8]；該系統在額定工作狀況下，氧中氫純度穩定在1.05%左右（見圖2）。

2.1 波動性實驗對氧中氫純度的影響

在圖2基礎上，逐步降低制氫系統功率，并觀察氧中氫純度變化：

1）在不改變其他工藝參數前提下，將制氫系統功率調節至額定功率的75%，并對產品氧氣的氧中氫含量進行監控（見圖3）。

氧中氫純度在1 h內，隨功率降低下降了約0.35個百分點，在隨后的4 h內趨于穩定。

2）在不改變其他工藝參數前提下，將制氫系統功率調節至額定功率的50%，并對產品氧氣的氧中氫含量進行監控（見圖4）。

氧中氫純度隨功率降低下降至約2%，達到了制氫系統安全運行的上限設置值。

結合上述2次測試結果：寬功率波動直接實驗過程中，隨著制氫系統功率下降，產品氧氣中的氫氣含量持續上升，在較低功率條件下不能夠保證制氫系統運行的安全性，需要通過調整其他工藝參數，配合功率降低，來保證制氫系統安全運行。

2.2 工作溫度對氧中氫濃度的影響

在圖2和圖3的條件下，探索電解制氫系統工作溫度對安全性的影響：

1）在不改變其他工藝參數前提下滿負荷運行制氫系統，將制氫系統工作溫度在額定溫度范圍內調節，并對產品氧氣的氧中氫含量進行監控（見圖5）。

2）將制氫系統負荷降低至額定功率的75%，在不改變其他工藝參數前提下，將制氫系統工作溫度在額定范圍內調節，并對產品氧氣的氧中氫含量進行監控（見圖6）。

結合2組實驗結果：氧中氫純度隨工作溫度的上升雖略有上升，但是升溫10 ℃對氫中氧純度的影響在0.02%以下，可以判斷工作溫度不是影響純度的主要原因。

2.3 電解液循環量對氧中氫濃度的影響

水電解制氫系統中的電解液，需要不斷在氫/氧分離器及電解槽之間進行循環，起到向電解槽中補充電解液、帶出產品氣體、冷卻電解槽等作用。

KZDQ-20/3.2型水電解制氫裝置額定電解液循環量為1.8 m3/h[8]，在不改變其他工藝參數前提下，將制氫系統功率及電解液循環量分別同時調節至額定值的75%和50%，并對產品氧氣的氧中氫含量進行監控（見圖7和圖8）。

可見，在將電解液循環量與系統功率同比調節下，氧中氫純度能夠穩定在1%左右。較2.1節實驗中氧中氫純度有明顯提高，并且與水電解制氫系統滿負荷運行時產品氧氣的指標相當。

3 連續寬功率波動實驗

依據2.3節發現的規律進行擴展實驗，通過調節電源輸入給定功率值來模擬風力發電機輸出功率隨風速大小發生變化時的工況，以此進行寬范圍內波動實驗，功率最低時降至20%額定功率運行，詳細功率波動實驗數據如表1所示。

由表1可見，在涵蓋了20%～100%負荷下的寬功率波動條件下運行水電解制氫系統，根據功率波動情況同步調整電解液循環量，產品氧氣中的氫氣含量始終穩定在1.04%～1.10%之間，能夠滿足水電解制氫系統的出廠指標。有效地解決寬功率波動條件對產品氣純度的影響，滿足了寬功率波動條件下對制氫系統安全運行的要求。

表1 功率波動耐受度數據記錄Tab.1 Data under power fluctuation

4 結 語

本文結合風電特性對負載側的要求，對水電解制氫系統的寬功率波動適應性開展了相關實驗，通過改變工作溫度、電解液循環量等參數進行了對比實驗，找到了復雜功率波動工況下保證水電解制氫系統安全平穩運行的技術途徑。為水電解制氫裝置工藝的進一步改進及自動化程度的進一步提高提供了有力支持，為微電網風電耦合制氫及氫能綜合利用提供了理論依據和基礎數據。

[1]段樹華. 應用于船舶的自動化風力發電系統研究[J]. 北京: 艦船科學技術, 2016, 38(2): 40–42.

[2]吝子東. 水電解制氫技術發展前景[J]. 邯鄲: 艦船防化, 2014(2).

[3]時璟麗. 風電制氫經濟性分析[J]. 北京: 中國能源, 2015, 37(2): 11–13.

[4]劉明義. 電解水制氫技術在可再生能源發電領域的應用[EB/OL]. 中國學術期刊電子出版社, 2014.

[5]蔡熾柳. 氫能及其應用前景分析[J]. 能源與環境, 2008(5).

[6]電子工業部第十設計研究院. 氫氣生產與純化[M]. 哈爾濱:黑龍江科學技術出版社, 1983.

[7]王廉舫. 水電解制氫氧[M]. 長沙: 湖南省工業氣體專委會, 1995: 1–4.

[8]中國船舶重工集團公司第七一八研究所. KZDQ-20/3.2系列制氫裝置安裝使用說明書[Z]. 2015.

Research on hydrogen generation system by water electrolysis under wide power fluctuation

NING Nan
(The 718 Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

With the wind power industry developed rapidly, there is an urgent demand for the power-to-gas system to fit its wide fluctuation. Hydrogen as a clean "new energy" has become the best choice for digestion the abandon wind. Research on Water Electrolysis Hydrogen Generation System under Wide Power Fluctuation by adjusting the process parameters. Support further improvement of water electrolysis hydrogen generation system. Provide a theoretical basis for the micro wind power-hydrogen generation system.

wind power；hydrogen generation system by water electrolysis；wide power fluctuation

TQ116.2

A

1672 – 7619(2017)06 – 0133 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.027

2017 – 04 – 24；

2017 – 05 – 05

寧楠(1982 – )，女，碩士，工程師，現從事科技綜合管理工作。