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技术热点丨电解制氢与氢储能

电解制氢

本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2018年第3期
作者：俞红梅，衣宝廉
来源：电解制氢与氢储能[J].中国工程科学,2018,20(3):58-65.
编者按
氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体，对可再生和可持续能源系统而言，氢气是一种极好的能量存储介质 。作为能源载体，氢可以实现无碳能源的循环利用，可以将波动性的可再生能源电力通过“电–氢–电（或化工原料）”的方式加以高效利用，兼具绿色与高效的特点，为未来人类社会的能源转化利用提出了新的解决方案 。
【技术热点丨电解制氢与氢储能】中国工程院院士衣宝廉在《中国工程科学》撰文介绍电解制氢的技术特点，以及国内外质子交换膜水电解技术发展态势，分析了新型电解水技术的发展方向，提出了我国未来发展电解制氢技术与氢储能的建议 。
一、氢储能特点
可再生能源是人类社会的重要发展方向 。可再生能源的消纳是制约可再生能源发展的关键技术之一 。由于可再生能源（如水电、风能、太阳能）的间歇性特点，不能长时间持续、稳定地输出电能，导致大量弃风、弃光现象发生 。储能技术可将可再生能源发电储存起来，在需要时释放，以保障可再生能源发电持续、稳定的电能输出，提高电网接纳间歇式可再生能源的能力 。
以往的储能技术分为物理储能、化学储能及热储能 。物理储能包括机械储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能）与电磁储能（超级电容器、超导储能）；化学储能基于电化学原理进行储电，如铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，实现热能的直接利用或热发电 。这些技术的主要目的均是储电，利于充放电短周期内的就地使用，若需要进行长周期的储能，如不同季节，储电则会受到其容量的限制 。
在新能源体系中，氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，其能量密度（140MJ/kg）是固体燃料（50MJ/kg）的两倍多 。且燃烧产物为水，是最环保的能源，既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等 。因此，氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体 。对可再生和可持续能源系统而言，氢气是一种极好的能量存储介质 。
氢气作为能源载体的优势在于：①氢和电能之间通过电解水与燃料电池技术可实现高效率的相互转换；②压缩的氢气有很高的能量密度；③氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力 。
同时，可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能，更利于储存与运输 。所存储的氢气可用于燃料电池发电，或单独用作燃料气体，也可作为化工原料 。
二、氢的来源
制氢的方式有很多，包括：化石燃料重整、分解、光解或水电解等 。全球每年总共需要约4×109 t氢气应用于氨的生产、有机物的加氢、石油精炼、金属冶炼、电子制造、产生高温火焰以及冷却热发电机等方面 。迄今为止，95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO2，而电解水技术利用可再生能源获得的电能来进行电网规模级别产氢，可实现CO2的零排放，约占全世界4%~5%的H2的生产量 。目前我国是世界第一大氢气生产国，已连续7年居世界第一位，主要受价格因素影响，其中超过95%的氢气来源于化石能源 。
通过水电解方式获得的氢气纯度较高，可达99.9%以上，可直接应用于对氢气纯度要求较高的精密电子器件制造行业 。
三、电解制氢技术
电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出 。根据隔膜不同，可分为碱水电解、质子交换膜水电解、固体氧化物水电解 。
工业化的水电解技术的工业应用始于20世纪20年代，碱性液体电解槽电解水技术已经实现工业规模的产氢，应用于氨生产和石油精炼等工业需求 。20世纪70年代之后，能源短缺、环境污染以及太空探索方面的需求带动了质子交换膜电解水技术的发展 。同时特殊领域发展所需的高压紧凑型碱性电解水技术也得到了相应的发展 。目前可实际应用的电解水制氢技术主要有碱性液体水电解与固体聚合物水电解两类技术 。
（一）碱性液体电解槽水电解制氢
碱性液体水电解技术是以KOH、NaOH水溶液为电解质，如采用石棉布等作为隔膜，在直流电的作用下，将水电解，生成氢气和氧气 。产出的气体需要进行脱碱雾处理 。碱性液体水电解于20世纪中期就实现了工业化 。该技术较成熟，运行寿命可达15年 。碱性电解槽以含液态电解质和多孔隔板为结构特征，如图1所示 。


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