可再生能源電解制氫技術及催化劑的研究進展

顏祥洲(湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

國內電解水生產氫氣技術以氫源供給來看所占的比例并不是很高，電力成本與關鍵部件的開發，為造成其能耗不低、約束其進步的關鍵。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，找出性能更為優異的析氫催化劑，進而來實現對能耗的降低，總結了很多的經驗且獲得了較大成果?；趯Φ吞寄茉匆约巴苿託淠墚a業進步的考慮，應該把以下領域融合討論，一起推進。

1 電解水制氫技術

在工業生產氫氣方面，電解水制氫屬于非常重要的技術措施，由電能來供應能量，促使水分子出現電化學反應，從而產生H2以及O2。對于水分解反應來講，通?？梢詫⑵浞殖蓛蓚€部分，也就是陰極析氫以及陽極析氧。按照電解質的差異，目前可把該項技術分成以下幾類：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]。參數比較如表1所示。其中AWE是最為成熟的，存在著諸多的優勢，技術安全、生產費用不昂貴、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也有著多項優點，如反應沒污染、轉換效率理想及結構較為緊湊，不過它所需成本較高，所以沒有達到大規模運用；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化效率，不過高溫約束了材料選取，還處在研究環節。

表1 電解水制氫技術參數比較

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，可以實現對貴金屬的取代。把一些相關的過渡金屬(如鐵元素)同相關的非金屬元素(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生的催化劑，在和載體進行融合之后會產生電子形態，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效關系，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。不過昂貴的生產成本以及較少的儲量，約束了Pt的商業運用。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；其次，通過提升Pt使用率，進一步來提升Pt原子的消耗。SACs的出現可以更好使用金屬，同時節省成本，向HER的開發提供了思路。SACs的合成策略一般包含缺陷工程以及空間限域等[1]。

3 驅動電解水制氫

3.1 氫能源技術路線比較

基于天然氣重整制氫技術來看，它的發展是比較快的，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，在國際環境越來越緊張的情況下，貿易摩擦逐漸加劇，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的發展，還應進一步探討。

我國在煤化工產業上獲得了較快發展，這也促使煤制氫技術逐漸比較完善，還能開展大規模制氫作業，然而實際進行生產時，會釋放大量二氧化碳，還應與碳捕集封存技術融合運用，該項技術也可叫做CCS?，F階段CCS技術還在持續探索中，應促進這項技術的研究發展，全面減少能耗及成本，在后續發展中，應將該項技術當成大規模制氫的途徑，以減少生產成本[2]。

借助低碳電力驅動方式，來開展電解水制氫，通常是借助可再生能源發電，對電催化水分解形成的氫氣進行驅動，在這之中的電力涉及風電及光伏等。針對可再生能源發展來看，能源儲備是比較大的，在開發力度上也處在中上水平，結合國際能源署相關報告得知，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，但在后續發展中，我國的可再生能源獲得了持續增產，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，有利于促進氫能產業高效發展，是行之有效的方式，但還是有著一系列的問題及挑戰。第一，發電過程中存在的問題。針對可再生能源而言，它極易被季節及氣候因素影響，導致出現間歇及隨機等問題。第二，制氫成本方面的問題?；诩夹g的逐漸成熟，還有供應鏈競爭越來越激烈，在原來的發展中，發電成本越來越小，然而相較于化石燃料發電，還應進一步分析，想要有效增強價格競爭力，需要對能源消納問題加以重視，這會對制氫成本產生較大的影響。第三，發電并網存在的問題。就我國的能源資源分布來看，基本上都位于西部地區，但對電力的使用，通常是在東部及南部地區比較大，怎樣實現并網、輸送及消納之間的協調，這是現階段亟需解決的難題。第四，電力制氫應用上存在的問題。針對風力及光伏資源來看，我國有著非常大的儲量。但是對于棄光地區而言，他們并非急需地區，這就會出現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，并科學應用氫氣，這是氫能產業應該重視的問題。

3.3 電力制氫優勢

第一，能夠很好地解決發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的動力，基于可再生資源儲備而言，針對資源較多的地區，可為其配備相應的電解槽制氫裝置，從而更好地處理發電運行中的一系列問題，促進環保措施的有效運用。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，如此才能實現電解槽長期運行。伴隨太陽能和風力的開發，其發電成本越來越低，在日后發展中，可再生能源平價發展，能夠為電網電力制氫奠定夯實基礎。第三，達到能源有效利用。根據成本及環保方面來看，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展，實現大規模制備，還能更好地處理碳排放問題，促進清潔能源合理應用[3]。

4 光伏發電制氫

4.1 利用太陽能的制氫技術

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，光伏發電制氫獲得了較快的發展。

現階段，借助光伏發電制氫，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，一種是間接連接，另一種是直接耦合。針對間接系統來看，它是現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。該設計方式主要是借助蓄電池能以及相應的轉化器，來完成電壓及電流的調節，以實現電解槽的相關要求。這一系統能夠全面實現電解槽性能，確保其安全運行；不足之處是轉化器等設備的使用，在一定程度上提高了系統成本，在這一過程中，還會產生電能傳遞損失，從而減小系統效率。就直接耦合系統而言，一般是利用光伏陣列同電解槽的有效配合，在這一系統中，可以不用蓄電池等設備，好處是該系統比較簡單，極大降低了故障出現的幾率，從而減少相關的維修成本。結合有關研究顯示，應根據該地區氣候及日照等條件，科學設計光伏陣列等構成，相較于傳統的間接連接，這種直接的耦合連接可以進一步增強制氫效率。

基于光伏發電制氫來看，其優點包含下述幾點：第一，光伏發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合起來，通過電解水制氫技術完成，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，就光伏發電制氫來看，這項工藝的操作較為簡單，并且相關的運維難度也很低，應結合場地實際需要，開展模塊化組合，針對分布式能源而言，在后續發展中，應注重供應燃料電池的研發，這是促進能源有效運用的關鍵措施。第三，光伏發電對于可再生能源發展具有關鍵性的作用，電解水制氫能夠促進清潔能源的開發及利用，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展要求，滿足全球能源發展及環境治理的需要。

4.2 問題與建議

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

5 風力發電制氫

5.1 利用自然風能的制氫技術

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

5.2 存在的問題與建議

針對技術問題來看，該項技術在電能方面的要求非常高，但風電卻有著很大的隨機性，會導致電力供應反復波動，不利于制氫設備合理使用，對電能合理匹配產生了較大影響。在運用方面，現階段的用氫單位大部分為化工企業，由于運輸及存儲成本問題，企業往往借助傳統制氫方式完成。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，氫燃料電池還在發展中，沒有大規模運用的環境。應致力于關鍵技術的研究。根據風電間歇性等問題，探討技術的突破，從而節省開發成本，增加技術效率，并提高質子交換膜等技術的投入，從而達到生產要求。促進海上風電制氫的研究?，F階段都是借助并網型方式，由于輸電線路容量，風電場同氫氣用戶之間的距離比較近，根據區域角度，需求較大的企業大部分都位于沿海地區，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 結語

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