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技术热点丨电解制氢与氢储能( 四 )

电解制氢


2017年以来，PEM电解制氢的工业应用在世界各地的推进速度急剧上升 。挪威的Nel公司收购了美国的Proton Onsite公司，而Siemens、Giner、Hydrogenics公司也相继推出可再生能源氢储能的兆瓦级产品，德国H&RÖlwerke Schindler公司采用Siemens的5 MW电解技术制氢，投资逾1000万欧元，每年将生产数百吨氢气 。生产的氢气用作石油精炼的原料，成为可再生能源电解制氢大规模工业应用的先例 。
氢的储运是氢储能与利用所需要考虑的问题，除了槽车运输，高压氢气管道输送也正在发展 。德国的Power-to-Gas项目，将氢气混入天然气管道输送，液化空气公司所属的百公里的纯氢输送管道也已经成功投入使用 。
从技术先进性分析，PEM电解优于碱水电解，但目前成本较高 。美国可再生能源国家实验室发布了以风能提供电力，以PEM水电解制氢的评估报告，其中对PEM技术的放大进了成本预测 。预计当PEM制氢技术的规模从10kg/d发展到1000kg/d时，电解池堆的成本所占份额将从目前的40%降至10%，预示大规模PEM制氢将在降低成本上有较大幅度的空间 。
在PEM电解水制氢的标准规范方面，国际电工协会IEC/TC105已经启动PEM制氢标准制订，预计在2019—2020年发布 。
我国目前的可再生能源发电的利用率不高，大量存在弃水、弃风和弃光 。仅2015年，全国弃风电量为3.39×1010kW·h，按每5kW·h电生产1标方氢气计算，2015年我国弃风资源制氢能力为6.78×10 9 标方/a，即6.1×105 t/a 。以2016年全年的弃水、弃光、弃风电量合计，则可制氢3×106 t 。若将这些弃电用于制氢，即利用波动电制氢能将不能贮存的电制成氢贮存起来，对电站稳态生产、提高经济效益、延长发电设备寿命、充分利用可再生资源有重大作用 。
六、国内的电解制氢状况
目前，碱水电解制氢在国内已经工业化，我国电解水装置的安装总量在1500～2000套左右，通过电解水所制氢气总量在8×104 t/a，碱性电解水技术占绝对主导地位 。在碱性电解水设备方面，目前国内设备的水平最大可达1000标方/h 。代表企业有苏州竞立制氢设备有限公司、天津市大陆制氢设备有限公司等 。由于产品需进行脱碱等处理，不仅设备体积大，而且有污染 。
国内的PEM水电解制氢技术尚处于从研发走向工业化的前期阶段，国内的PEM水电解技术研究起步于20世纪90年代，针对特殊领域制氢、制氧的需求，主要研发单位有中科院大连化学物理研究所、中船重工集团718研究所、中国航天科技集团公司507所 。目前市场上小批量销售的PEM电解产品主要是国外产品的代理，产氢量范围为0.3~2.0 Nm3/h 。中国科学院大连化学物理研究所从20世纪90年代开始研发PEM水电解制氢，在2008年开发出产氢气量为8 Nm3/h的电解池堆及系统，输出压力为4.0MPa、纯度为99.99% 。2010年大连化学物理研究所开发出的PEM水电解制氢机能耗指标优于国际同类产品 。从单机能耗上看，国内的PEM制氢装置较优，但在规模上与国外产品还有距离 。
2017年河北沽源开始建设10MW级利用风电制氢的示范项目，采用国外电解制氢机，将风电转化为氢气 。沽源风电制氢项目的规划为：生产出的一部分氢气将用于工业生产，降低工业制氢产业中煤炭、天然气等化石能源消耗量；另一部分将在氢能源动力汽车产业具备发展条件时，用于建设配套加氢站网络 。
七、新型电解水技术
虽然商业化PEM水电解装置已经面世，但PEM水电解池的酸性电解质环境中所使用的质子交换膜和贵金属电催化剂的成本过高，不利于PEM水电解池的大规模推广 。因此，在降低电解能耗的同时，发展新的低成本电解体系的需求更为迫切 。
在碱性条件下，由于可以使用低成本的非贵金属催化剂，从而使得电解池成本大幅下降，结合固体电解质与碱性体系这两个特点，采用碱性固体电解质代替质子交换膜，用以传导氢氧根离子、隔绝电极两侧的气体，电解池的阴阳两极与固体聚合物阴离子交换膜密切接触，从而降低两极之间的电压降，将传统碱性液体电解质水电解与PEM水电解的优点结合起来，碱性固体阴离子交换膜（AEM）水电解技术应运而生 。
AEM水电解中的隔膜材料为可传导OH–的固体聚合物阴离子交换膜，催化剂可采用与传统碱性液体水电解相近的Ni、Co、Fe等非贵金属催化剂，相比PEM水电解采用贵金属Ir、Pt，催化剂成本将大幅降低，且对电解池双极板材料的腐蚀要求也远低于对PEM水电解的要求 。现阶段的研发集中于碱性固体聚合物阴离子交换膜与高活性非贵金属催化剂 。主要研发机构有美国国家可再生能源实验室、Proton Onsite公司、Northeastern University、Penn State University、英国University of Surrey、中国科学院大连化学物理研究所、武汉大学等 。目前主要集中于阴离子交换膜的研发，正在解决阴离子交换膜的寿命问题 。当关键材料获得突破之后，工业规模的放大则可沿用PEM水电解与液体碱水电解的成熟技术 。


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