一種高效低成本復合式水電解槽技術及裝備的開發

饒文濤,魏 煒,蔡方偉,楊建夏,李文武,吳亦偉,馬志力

(寶武清潔能源有限公司,上海 201900)

本文開發了一種新型混合式電解水的綠氫制備技術及系統,特點是將兩種不同電解槽進行串并聯,構造一種混合式電解水制氫系統,提高了系統設備利用率及系統氫氣生產能力,并可保證氫氣用戶的正常穩定生產,同時,采用云服務器進行遠程控制,可對制氫設備實現系統的無人值守、集中管理以及遠程故障診斷功能,降低了檢修頻率以及系統異常開停頻率,節省了大量維修成本。

1 背景介紹

對于氫能產業的發展而言,大量、廉價、低碳排放的氫氣需求是十分迫切的,新能源發電與電解槽的成本下降使廉價低排放的氫能獲取成為可能,目前全球范圍內的可再生能源制氫的成本有望從30～60元/kg下降至10～20元/kg。根據目前的發展趨勢,未來可再生能源電解水制氫可以與沒有碳捕獲的化石燃料制氫相抗衡。

從現在產業發展情況來看,電解水制氫在整個制氫領域的占比依然很小,而且絕大多數是小規模的,造價比較高。2018年,全球范圍內的水電解槽出貨量大約為135 MW,制氫的成本根據地理位置的不同大約是2.5～6.8美元/kg。一般來說,傳統的國產堿性電解槽的制造成本遠低于歐美堿性槽的制造成本。

電解槽制氫產業的巨大潛力主要是源于制造成本的快速下降,部分國產廠商已經證明了傳統的堿性槽技術路線具有實現低成本大型化的潛力,同時,尚待成熟的質子交換膜電解槽的制造成本也在不斷下降。預計未來一段時間國產堿性電解槽系統成本可以從目前的1 400元/kW降低至750～900元/kW,到2050年,有望下降至600元/kW;質子交換膜這個技術領域,制造成本在2050年也有望降到500～1 300元/kW。

聚焦水電解技術的發展前景[1-2],眾多央企集團開始布局水電解制氫領域。2021年,上海電氣與中科院大連化物所簽訂兆瓦級PEM電解槽制氫項目,“PEM電解水制氫技術研發中心”揭牌成立;國家電投河南簽約中平云能、康明斯,將在氫能領域深化戰略合作。2019年,國家電投與德國西門子共同簽署《綠色氫能發展和綜合利用合作諒解備忘錄》。根據該備忘錄,國家電投和西門子將聚焦氫能供需兩側關鍵技術的聯合研發與應用,重點圍繞氫能技術聯合創新研發。2020年,中石化資本攜手康明斯推動綠氫產業的發展,中國石化集團資本有限公司(中石化資本)、恩澤海河(天津)股權投資基金合伙企業(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,將利用各方優勢和資源,共同促進電解水制氫技術的開發及推廣,推進綠氫產業發展。西安隆基氫能科技有限公司(下稱隆基氫能)注冊成立,注冊資本3億元。隆基氫能股東包括隆基股份全資子公司西安隆基綠能創投管理有限公司以及上海朱雀嬴私募投資基金合伙企業(有限合伙)。隆基在電解制氫裝備、光伏制氫等領域形成了技術積累。到2050年,全球年需求氫將達到6～8億t的規模,按照該預期,未來30年,全球年均新增的制氫規模約為2 500萬t,帶來新增光伏裝機年均900 GW左右,從而形成萬億級(3.6萬億)的市場規模。初步計算綠氫的價格,在光照好的地方,光伏制氫的電力成本約0.15元/kWh(0.75元/m3,折合8.4元/kg),大幅低于現在制氫的電力成本,“光伏制氫”的競爭力將逐漸增強,市場空間也將全面展現。

2 幾種典型電解制氫技術比較

氫氣是一種清潔環保的二次能源,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。

水電解制氫可用于消納光伏、風電等可再生能源產生的棄電,將電能轉化為氫能,具有氫氣純度高、生產流程無污染、制氫規模靈活可調等特點。電解反應是英國物理學家、化學家威廉·尼科爾森在1800年發現的,并開創了電化學這一新的科學領域。200年來電解制氫是工業制氫的主要技術,后來隨著天然氣工業的發展,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又煥發了生機,主要的原因是該技術可以把可再生能源的電力轉化為氫氣,將電能轉化為一種化學能進行儲存,這一進程中,在傳統的堿性槽電解技術的基礎上又產生了一種PEM(Polymer electrolyte membrane,聚合物電解質膜)的電解新技術。

目前主流的電解技術包括：堿性水電解技術(ALE技術)、質子交換膜電解水技術(PEM技術)、固體氧化物電解水技術(SOFC技術)和陰離子交換膜(AEM技術)。主流的電解水制氫技術為ALE(堿性)技術和PEM(質子交換膜)技術,堿性水電解技術存在制氫響應慢、槽壓相對較低及電解槽電流密度低等問題,質子交換膜電解水技術在以上三方面均有優勢,但是存在成本高的問題。ALE槽與PEM槽的原理對比見圖1,性能對比見表1。

圖1 PEM槽和ALE槽對比Fig.1 Comparison of PEM tank and ALE tank

表1 PEM和ALE槽的性能對比Table 1 Performance comparison of PEM and ALE slots

針對以上兩種技術存在的問題,寶武清潔能源技術中心結合寶武集團可再生能源比例逐年提高的現狀,通過將兩種水電解技術進行結合,希望能開發出一種既克服ALE技術的缺點,又具有PEM優良性能,同時還有性價比的技術。在密切跟蹤國內外先進技術[3-4]的同時,與在電解槽領域具有加工能力的合作伙伴一起針對鋼鐵行業的氫能應用場景,開發出一種全新的復合水電解槽技術。

3 復合水電解槽技術的開發

現有的兩種電解槽在運行范圍,響應速度和冷、熱啟動時間等方面均存在差距,首先需要在控制模式上進行統一,然后在系統上進行優化,最后形成新的系統。本文著手開發一種混合式電解水的綠氫制備系統,包括供電電源、混合制氫單元、PLC控制器和云服務器,而傳統的水電解制氫裝置控制設備主要采用PLC控制實現,控制系統安裝復雜且安全性、抗干擾性、可靠性較差。本綠氫系統將兩種不同電解槽進行串并聯構造一種混合式電解水制氫系統,提高了系統設備利用率及系統氫氣生產能力,保證了氫氣用戶的正常穩定生產,同時,采用云服務器進行遠程控制,可對制氫設備實現系統的無人值守、集中管理以及遠程故障診斷功能,降低檢修頻率以及系統異常開停頻率,節省了大量維修成本。

3.1 復合(PA)槽控制模式的設計

堿性電解槽(ALE)比質子交換膜(PEM)的電阻大,運行范圍窄。PEM允許在0～3 A/cm2之間運行,有更高的電流密度。圖2為 ALE和PEM水電解槽的操作范圍分析。首要考慮的是寶武使用場景有可再生能源電力的接入,開發的新系統需要更好地適應大量分布式新能源電力的波動性接入,同時考慮輸入電源端可以采用兩路供電：DC-DC或AC-DC接入,配置靈活的水處理模塊,同時優化氣體純化,精確壓力匹配,實現更廣泛的工作范圍,實現高兼容性的協調控制、更好的勢態感知能力、最優的模式匹配。

圖2 ALE和PEM水電解槽的操作范圍分析Fig.2 Analysis of the operating range of ALE tank and PEM tank water electrolyzer

對現有的ALE系統和PEM控制特性對比見表2。

表2 ALE和PEM的性能比較Table 2 Performance comparison between ALE and PEM

新設計的PA復合槽考慮由ALE槽和PEM槽進行組合,P是指PEM槽,A是指ALE槽。因PEM槽冷啟動的時間短,在電源端接入的電是光伏電或風電時,啟動一個PEM槽,此時ALE槽關閉,PEM運行一段時間后,同時啟動ALE槽,此時ALE和PEM槽同時運行,當外界電力穩定了,ALE冷啟動完成后,ALE運行,PEM關閉,系統工作結束時,ALE和PEM同時停止。圖 3為 PA的控制模式。

圖3 PA的控制模式Fig.3 The control mode of PA

3.2 硬件系統的優化組成

PA系統不是兩套系統的疊加,而是做了進一步的優化,具體見圖4。把原來兩套系統需要的兩套電控裝置和兩套氣體純化裝置合二為一,降低了系統的成本。

圖4 PA復合槽系統配置的優化Fig.4 Optimization of the configuration of the PA composite tank system

最后形成的系統流程見圖5,PA槽實現了將ALE和PEM兩個槽集成到1套系統中,由1套控制系統進行控制。

圖5 PA電解槽系統組成圖Fig.5 PA electrolyzer system composition diagram

供電電源為綠氫制備系統提供電能;混合制氫單元包括開關電源、堿性水電解裝置、質子交換膜電解裝置、第一閥門、第二閥門、壓力調節單元、氣源泵及氫氣純化單元,開關電源的進電端與供電電源相連,開關電源的供電端與堿性水電解裝置及質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,第一出氣管的遠端與第一汽水分離器的進氣口相連,第一汽水分離器的出氣口與第一洗滌冷凝器的進氣口相連,第二出氣管的遠端與第二汽水分離器的進氣口相連,第二汽水分離器的出氣口與第二洗滌冷凝器的進氣口相連。

本系統與現有技術相比具有以下的優點和積極效果：開發了一種混合式電解水的綠氫制備系統,其整體組成見圖6,包括供電電源、混合制氫單元、PLC控制器和云服務器,其中,混合制氫單元包括開關電源、堿性水電解裝置、質子交換膜電解裝置、第一閥門、第二閥門、壓力調節單元、氣源泵及氫氣純化單元,將兩種不同電解槽進行串并聯構造一種混合式電解水制氫系統,提高了系統設備利用率及系統氫氣生產能力,保證了氫氣用戶的正常穩定生產,同時,采用云服務器進行遠程控制,可對制氫設備實現系統的無人值守、集中管理以及遠程故障診斷功能,降低了檢修頻率以及系統異常開停頻率,節省了大量維修成本。

3.3 系統的調試

在本試驗中(圖7、8),綠氫制備系統既可以通過光伏直流接入,也可以通過市電交流接入;當采用光伏直流電接入后,通過DC/DC接入到電解槽進行水電解制氫過程,通過DC/AC將電流通入PLC控制側對設備進行調控;當采用市電交流接入后,將電流流入PLC控制側對整個設備進行管理,通過AC/DC將轉換的直流電接入電解槽進行制氫操作。

圖7 電解槽總系統的功率和電流調試Fig.7 Power and current commissioning of the total electrolyzer system

圖8 PEM槽部分調試Fig.8 PEM slot part debug

4 后續應用展望及研究

根據以上技術開發出BWQN-PA-500、BWQN-PA-1000等兩大系列成套產品,委托加工后,將應用于韶鋼500方綠氫配套加氫站示范項目和八鋼2 000方綠氫配套氫冶金項目(二期擴展到4 000方)。后續將進一步研究用氫技術,需要研究氫冶金過程高爐動態供氫與動態運行控制技術,提高冶金過程氫氣利用效率;設計匹配高爐供氫、熱軋燃氫、冷軋保護等多用氫場景的氫氣協同供需控制技術,提出氫冶金全過程的安全管理與防控方案;研究大功率制氫設備與氫冶金過程的耦合運行控制技術,提出制氫—冶金全過程熱能綜合利用方案,提高系統能量利用效率;完成制氫設備的能效評估及經濟性評價。

5 結語

對現有ALE槽和PEM槽進行二次開發,結合二者的優點,通過系統優化開發了復合型水電解槽,在硬件上對電控系統和氣體純化系統進行優化,降低了成本,開發了配套的軟件,同時實現低電耗、瞬時響應和高性價比,其效果將在后續應用中得到不斷驗證。