基于可再生能源水電解制氫技術(shù)發(fā)展概述

郝偉峰 賈丹瑤 李紅軍

摘要：化石能源的枯竭、生態(tài)環(huán)境的惡化、極端氣候的頻發(fā)等問題導(dǎo)致可再生能源被高度重視和大力開發(fā)。然而可再生能源自身的間歇性在并網(wǎng)時將引起電網(wǎng)的波動和不安全，這部分不能并網(wǎng)的電力造成了大量的“棄水、棄風(fēng)、棄光”。解決該問題有效的辦法是將可再生新能源的電力用電解水制氫技術(shù)來制取高純度的氫氣和氧氣，產(chǎn)生的氣體直接使用或是轉(zhuǎn)化成電力當時機并網(wǎng)，提高可再生能源的利用率和占比。

Abstract： The depletion of fossil energy， the deterioration of the ecological environment， and the frequent occurrence of extreme weather have led to the high priority and vigorous development of renewable energy. However， the intermittent nature of renewable energy itself will cause fluctuations and insecurity of the power grid when it is connected to the grid. This part of the power that cannot be connected to the grid causes a lot of "disposal of water， abandonment of wind， and abandonment of light". An effective way to solve this problem is to use the electrolyzed water hydrogen production technology to generate high-purity hydrogen and oxygen from the power of renewable new energy. The generated gas is directly used or converted into electricity and connected to the grid to increase the utilization rate and proportion of renewable energy.

關(guān)鍵詞：氫能源；氫儲能；可再生能源；水電解制氫技術(shù)

Key words： hydrogen energy；hydrogen storage；renewable energy；water electrolysis hydrogen production technology

中圖分類號：TQ116.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0236-02

1 緒論

1.1 我國可再生能源電力的消納問題

自18世紀的工業(yè)革命以來，傳統(tǒng)的化石能源（煤、石油、天然氣）是人類發(fā)展中最主要的一次能源[1]，然而隨著傳統(tǒng)化石能源的大量開采和使用，導(dǎo)致的能源枯竭、氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題日益突出[2]。因此大力開發(fā)和利用可再生的能源已經(jīng)成為世界共識[3]。然而可再生能源的不均勻性、間歇性造成并網(wǎng)輸送會對電網(wǎng)造成沖擊，引起電網(wǎng)的波動和不安全，因此造成大量的可再生能源電力無法并網(wǎng)使用，這部分不能并網(wǎng)使用的電力就造成了大量的“棄水、棄風(fēng)、棄光”。

據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2017年全年棄水電量515億千瓦時，棄風(fēng)電量419億千瓦時，棄光電量73億千瓦時[4]，表1為近三年我國“棄風(fēng)、棄風(fēng)、棄水”的電量統(tǒng)計。

1.2 氫能的優(yōu)勢

綜合上述發(fā)展可再生能源，儲能是關(guān)鍵。在眾多的儲能技術(shù)中，氫能及氫儲能具有明顯的優(yōu)勢。氫能作為一種理想的可再生的二次能源，與其他能源或是能源介質(zhì)相比，其具有如下優(yōu)點：①能量密度高，其能量密度可達142，351kJ/kg，是除核燃料外能量最高的燃料，其燃燒發(fā)熱值約是汽油發(fā)熱值的3倍；②可再生性，氫氣燃燒后或是化學(xué)反應(yīng)后，其產(chǎn)生的物質(zhì)只有是純水，純水可以再次回收利用，因此具有可再生、循環(huán)使用的特性；③清潔性，與其他燃料相比，氫氣燃燒時最清潔，其燃燒產(chǎn)物只有純水，無任何一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等對環(huán)境有害物質(zhì)產(chǎn)生；④氫能在自然界普遍存在，它主要氧化物-水的形態(tài)存在自然界，而水是地球上覆蓋最廣的資源，因此氫氣獲取無資源的壁壘問題[5]。

此外對可再生、可持續(xù)能源系統(tǒng)，氫氣是一種極好的能量存儲介質(zhì)。氫氣作為能源載體的優(yōu)勢在于：①氫和電能之間通過電解水技術(shù)可實現(xiàn)高效相互轉(zhuǎn)換；②壓縮的氫氣有很高的能量密度；③氫氣具有成比例放大到電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用的潛力[5]。

2 水電解制氫技術(shù)

2.1 制氫技術(shù) 目前主流的制氫技術(shù)主要有：化石燃料制氫、水電解制氫、生物質(zhì)制氫、太陽能光解制氫等方式。目前我國工業(yè)用的氫氣絕大多數(shù)是通過化石燃料制氫的方式獲得的，其中以煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫為主[6，7]。化石燃料制氫技術(shù)是目前應(yīng)用最多，最廣泛的技術(shù)，但是由于其面臨著資源有限，制氫過程污染嚴重，初期投資成本高等問題，因此是一種不可發(fā)展持續(xù)的制氫技術(shù)。此外生物質(zhì)制氫以及太陽能光解制氫技術(shù)，目前均在研發(fā)、試驗階段，并沒有大規(guī)模應(yīng)用到實際中。

電解水制氫是一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、工藝簡單、制取的氫氣和氧氣純度高的制氫技術(shù)，其優(yōu)點有：①工藝流程短；②制氫過程清潔，無任何的有害氣體或是“碳排放”；③消耗電力較大，可以消納多余的可再生能源電力；④制氫裝置啟動快，反應(yīng)迅速，可以較好適應(yīng)和匹配可再生能源電力的波動性。但是由于消耗電能較多，制氫成本較高，因此未大規(guī)模使用。但是利用“棄水、棄風(fēng)、棄光”的電力來制取二次能源氫氣，不僅實現(xiàn)可再生能源電力的利用，同時使電解水制氫去的氫氣成本更低。

2.2 水電解制氫技術(shù)的發(fā)展 電解水原理是在電解液中通入直流電，在電節(jié)的陰極和陽極上分別發(fā)生放電反應(yīng)，陰極反應(yīng)：4e+4H20=2H2↑+4OH-，陽極反應(yīng)：4OH-=2H20+O2↑+4e，總反應(yīng)式為：2H2O=2H2↑+O2↑，從而在陰極和陽極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。發(fā)展至今，電解水制氫設(shè)備主要有三種不同的電解槽，分別為：堿性電解槽，聚合物薄膜電解槽和固體氧化物電解槽，三種電解槽雖然采用的材料，工作溫度，電解液均由區(qū)別，但是電解的原理均相同。

①堿液電解。堿性電解槽通常采用NaOH和KOH溶液作為電解液，在電解過程中不消耗堿液，堿液只起到離子轉(zhuǎn)化的作用。堿性電解槽是發(fā)展時間最長，技術(shù)最為成熟的電解槽，具有操作簡單，成本低的優(yōu)點。缺點是電解效率低，同時堿液也存在這一定的腐蝕性。堿性電解槽通常的工作溫度在40℃至80℃。

②聚合物薄膜電解（Proton Exchange Membrane）。聚合物薄膜電解也稱質(zhì)子交換膜電解，PEM電解水技術(shù)是利用交換膜代替了傳統(tǒng)堿液電解槽中的隔膜和電解質(zhì)，質(zhì)子交換膜兩側(cè)是催化劑構(gòu)成的多孔電極。PEM電解槽的優(yōu)點是電解過程中無任何化學(xué)藥品，電解效率較高，同時由于質(zhì)子交換的隔離作用，因此安全系數(shù)高，此外電解槽的體積也較小。缺點是通常電極材料需要常用貴重的鉑合金，以及PEM膜相對較貴，因此造價高。

③固體氧化物水解（SOEC）。固體氧化物電解槽是韓國能源研究所，開放出來的一套效率更高的水電解系統(tǒng)。原理仍是電流將水分子電解成氫氣和氧氣并分別收集起來。不同的是，這套電解系統(tǒng)在電解和電解質(zhì)上夠改成了固態(tài)。這套固定電解狀態(tài)在高溫下運行，因此整套系統(tǒng)電解效率更高。但是電解槽在較高的溫度下工作（700-1000℃）[8]，電解和電解質(zhì)的材料和壽命均是較大的考驗和挑戰(zhàn)，此外該技術(shù)目前還在實驗室階段，還未大規(guī)模的應(yīng)用在工程實際中。（表2）

3 水電解制氫技術(shù)與可再生能源的結(jié)合

利用“棄水、棄風(fēng)、棄光”的電力來制取氫氣，將氫氣作為二次能源或是燃料應(yīng)用工業(yè)中是近年來氫儲能和氫能源發(fā)展的思路。氫儲能技術(shù)已被認為是解決棄電問題的最有效途徑，目前我國和歐美國家均開展了廣泛研究，并在部分地區(qū)建成了示范運行項目。比較著名的案例有挪威在優(yōu)特西拉島建設(shè)了一套風(fēng)力發(fā)電和氫氣儲能并發(fā)電全面結(jié)合的供電系統(tǒng)，島上的供電系統(tǒng)在風(fēng)力較大時，風(fēng)能電力過剩時，用過剩的風(fēng)電通過水電解技術(shù)制取氫氣并儲存起來，在風(fēng)力較小時，氫氣燃料電池會利用儲存的氫氣生產(chǎn)必需的電力，從而保證島上居民正常用電[9，10]。

近年來我國也加快了可再生能源制氫示范項目的建設(shè)，例如，2016年河北建投新能能源公司借鑒德國勃蘭登堡州在開發(fā)利用可再生能源、改善生態(tài)環(huán)境等方面的經(jīng)驗和做法，引起德國McPhy能源公司的風(fēng)電制氫技術(shù)，規(guī)劃、建設(shè)“沽源風(fēng)電制氫示范項目”。此外金鳳科技集團在吉林獲批的風(fēng)電樁樁基100MW，也包含了10MW的制氫容量。這些項目的實施和開展為我國后續(xù)的風(fēng)、氫耦合項目以及氫能源綜合利用提供了較好技術(shù)參考。

4 棄電制氫技術(shù)的展望

基于“棄水、棄風(fēng)、棄光”的電力制取氫具有重要的意義，不僅可以降低直接的經(jīng)濟損失，同時對推進我國的氫能源綜合利用和開發(fā)具有重要的意義。為此，我國實施頂層規(guī)劃，積極推動此類技術(shù)和項目的研究和應(yīng)用。利用可再生能源制氫氣和儲氫氣技術(shù)，并通過燃料電池這個關(guān)鍵的設(shè)備產(chǎn)生電力。這種可持續(xù)的循環(huán)能源思路思路非常非常適合國土遼闊、可再生能源豐富但不均勻的國家，對于消減電力峰值、高效儲運電力作用明顯。加快制氫、儲氫、氫燃料電池技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用對于推動我國的可再生能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)都具有十分重要的意義。隨著國家的高度重視，相信在未來幾年我國的氫能和燃料電池技術(shù)會有重大的突破和發(fā)展。

參考文獻：

[1]張博.世界各國氫能源經(jīng)濟發(fā)展舉措分析[J].國際石油經(jīng)濟，2017，9.

[2]王健.氫經(jīng)濟開創(chuàng)綠色能源新時代[J].環(huán)境保護，2004，9.

[3]可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃（發(fā)改能源（2016）2619號）[EB/OL]. http：//www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201612/t20161216_830264.html.

[4]國家能源局新聞發(fā)布會介紹2017年度相關(guān)能源情況等.http：//www.nea.gov.cn/2018-01/24/c_136921015.htm

[5]Jun Chi， Hongmei Yu.Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production[J].Science Direct.

[6]王志濤，王寶輝.氫能制備技術(shù)發(fā)展概況[J].油氣田地面工程，2004，7：33.

[7]劉少文，吳廣義.制氫技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].貴州化工，2003，10.

[8]http：//www.sohu.com/a/213760126_427506.

[9]M.Korpas， C.J.Greiner. Opportunities for hydrogen production in connection with wind power in weak grids[J].Renewable Energy，2008，33（6）：1199-1208.

[10]蔡國偉，孔令國，等.風(fēng)氫耦合發(fā)電技術(shù)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（21）：127-135.