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技术热点丨电解制氢与氢储能( 三 )

电解制氢


四、电解制氢技术研发与应用进展
PEM水电解技术于20世纪70年代被用作美国海军的核潜艇中的供应氧气装置 。20世纪80年代，美国国家航天宇航局（NASA）又将PEM电解水技术应用于空间站中，作宇航员生命维持及生产空间站轨道姿态控制的助推剂 。近年来许多国家在PEM水电解技术的开发中取得长足的进步 。
日 本 的“New Sunlight”计划及“WE-NET”计划始于1993年，计划到2020年投资30亿美元用于氢能关键技术的研发，其中将PEM水电解制氢技术列为重要发展内容，目标是在世界范围内构建制氢、运输和应用氢能的能源网络 。2003年，“WENET计划”研制的电极面积已达1~3m2，电流密度为25000A/m2，单池电压为1.705V，温度为120℃，压力为0.44MPa 。2018年年初，为配合燃料电池车的商业推广，日本氢能企业联盟的11家公司宣布成立日本H2Mobility，全面开发日本燃料电池加氢站，旨在到2020年建成160个加氢站 。
在欧洲，法国于1985年开展了PEM水电解研究 。俄罗斯的Kurchatov研究所也在同期展开了PEM水电解研究，制备了一系列不同产气量的电堆 。由欧盟委员会资助的GenHyPEM计划投资260万欧元，专门研究PEM水电解技术，其成员包括德国、法国、美国、俄罗斯等国家的11所大学及研究所，目标是开发出高电流密度（>1A/cm）、高工作压力（>5MPa）和高电解效率的PEM水电解池 。其研制的GenHy®系列产品电解效率能达90%，系统效率为70%~80% 。由Sintef、University of Reading、Statoil和Mumatech等公司及大学联合开展的NEXPEL项目，总投资335万欧元，致力于新型PEM水电解池制氢技术的研究，目标降低制氢成本（5000欧元/Nm3），电解装置寿命达到40 000h 。
欧盟于2014年提出PEM水电解制氢的三步走的发展目标：第一步是满足交通运输用氢需求，适合于大型加氢站使用的分布式PEM水电解系统；第二步是满足工业用氢需求，包括生产10MW、100MW和250MW的PEM电解池；第三步是满足大规模储能需求，包括在用电高峰期利用氢气发电，家庭燃气用氢和大规模运输用氢等 。提出PEM水电解制氢要逐渐取代碱性水电解制氢的计划 。在欧盟规定电解器的制氢响应时间在5s之内,目前只有PEM水电解技术可以满足这个要求 。
加拿大Hydrogenics公司于2011年在瑞士实施HySTAT™60电解池的项目，为加氢站提供电解槽产品 。每天可电解产生130kg纯氢 。至今，Hydrogenics公司已在德国、比利时、土耳其、挪威、美国、瑞士、法国、瑞典等建成颇具规模的加氢站，加氢压力达70MPa 。2012年ACTransit公司在Emeryville开放了太阳能电解水加氢站，利用510kW的太阳能电解水制氢，可满足12台公共汽车或20台轿车的氢气使用需要 。电解制氢机由Proton公司提供，日产氢气65kg（压强5000~10000psi） 。德国至2016年，已建造成50座加氢站 。
从商业化产品角度，美国Proton Onsite、Hamilton、Giner Electrochemical Systems、Schatz Energy Research Center、Lynntec等公司在PEM水电解池的研究与制造方面处于领先地位 。Hamilton公司所生产的PEM水电解器，产氢量达30Nm3/h，氢气纯度达到99.999% 。Giner Electrochemical Systems公司研制的50kW水电解池样机高压运行的累计时间已超过150000h，该样机能在高电流密度、高工作压力下运行,且不需要使用高压泵给水 。
目前，ProtonOnsite公司是世界上PEM水电解制氢的首要氢气供应商，其产品广泛应用于实验室、加氢站、军事及航空等领域 。Proton Onsite 公司在全球72个国家有约2000多套PEM水电解制氢装置，占据了世界上PEM水电解制氢70%的市场 。HOGEN-S和HOGEN-H型电解池的产气量从0.5~6 m3/h，氢气纯度可达99.9995%，不用压缩机气体压力达1.5MPa 。最新开发的HOGEN®C系列主要应用于加氢站，能耗为5.8~6.2 kW·h/Nm3，单台产氢量为30Nm3/h（65kg/d），是H系列产氢量的5倍，所占空间只有H系列的1.5倍 。2006年，英格兰首个加氢站投入使用，由Proton Onsite的HOGEN®H系列电解池与气体压缩装置所组成，日产氢量为12kg 。该加氢站与65kW风力发电机配套使用 。2009年该公司研发的PEM水电解池在操作压力约16.5MPa的高压环境下运行超过18 000 h，报道的PEM电解槽寿命超过60 000 h 。2015年，Proton Onsite公司又推出了适合于储能要求的M系列的产品，产氢能力达400 m3/h，成为世界首套兆瓦级质子交换膜水电解池，日产氢气可达1000kg，有望适应日益增长的大规模储能需求 。
五、氢储能与应用的发展
随着电解制氢技术的迅速发展，将其应用于可再生能源消纳的示范工程不断涌现 。Power-to-Gas，即从可再生能源发电转换为氢气，逐渐成为国际上可再生能源发展应用的一个重要方向 。2012年德国意昂集团的Power-to-Gas项目，于Falkenhagen地区在电低峰期用剩余的电力通过电解水生产氢气，于2013年起注入当地天然气管道，在用电高峰时为电网提供能量，提高了电能的利用率，减少了峰谷电浪费 。2014年多伦多地区的Power-to-Gas项目，部署总容量2MW的制氢装置 。电网运营商根据用电需求选择在用电低谷将剩余的电能转换为氢，在用电高峰时再将氢转变成电能并入电网使用，藉此将氢能技术用于储能 。


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