電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

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1、電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用1、引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題日益尖銳。新能源資源潛力大，可持續(xù)利用，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，已引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。在能源安全與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，技術(shù)相對(duì)成熟、具備規(guī)?；_發(fā)條件的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能光熱發(fā)電等在世界范圍內(nèi)取得了飛速發(fā)展。由于風(fēng)能等可再生能源自身特點(diǎn)決定了風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等是典型的隨機(jī)性、間歇性電源。其大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)行調(diào)度等諸多方面均有很大影響。特別是

2、隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)的影響將更加顯著，這已成為制約可再生能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的嚴(yán)重障礙。?電解水制氫是一種高效、清潔的制氫技術(shù)，其制氫工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，氫氣、氧氣純度一般可達(dá)99.9％，是最有潛力的大規(guī)模制氫技術(shù)。特別是隨著目前可再生能源發(fā)電的日益增長(zhǎng)，氫氣將成為電能存儲(chǔ)的理想載體。通過(guò)將可再生能源發(fā)電經(jīng)過(guò)電解水制氫技術(shù)，將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行儲(chǔ)存，并且根據(jù)實(shí)際需要，還可通過(guò)后續(xù)化工過(guò)程將氫能轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇及其他液態(tài)燃料等。?目前我國(guó)氫氣年產(chǎn)量已逾千萬(wàn)噸規(guī)模，位居世界第一。工業(yè)規(guī)模的制氫方法主要包括甲烷蒸汽重整和電解水制氫，其

3、中電解水制氫的產(chǎn)量約占世界氫氣總產(chǎn)量4％。盡管甲烷蒸汽重整是目前最經(jīng)濟(jì)的制氫方法，但其在生產(chǎn)過(guò)程中不僅消耗大量化石燃料，而且產(chǎn)生大量二氧化碳。電解水制氫工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，通過(guò)采用可再生能源作為能量來(lái)源，可現(xiàn)氫氣的高效、清潔、大規(guī)模制備，該技術(shù)也可以用于CO2的減排和轉(zhuǎn)化，具有較為廣闊的發(fā)展前景。?目前的電解水制氫方法主要有三種：堿性電解水制氫，固體聚合物電解水制氫，及高溫固體氧化物電解水制氫。堿性電解水制氫是目前非常成熟的制氫方法，目前為止，工業(yè)上大規(guī)模的電解水制氫基本上都是采用堿性電解制氫技術(shù)，該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作。電解制氫的主要能耗為電能，每立

4、方米氫氣電耗約為4.5～5.5kWh，電費(fèi)占整個(gè)電解制氫生產(chǎn)成本的80％左右。因此，電解水制氫技術(shù)特別適用于風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的能源載體。?2、?電解水制氫技術(shù)2.1?堿性電解水電解制氫?堿性電解水制氫裝置是由若干個(gè)單體電解池組成，每個(gè)電解池由陰極、陽(yáng)極、隔膜及電解液構(gòu)成。通入直流電后，水在電解池中被分解，在陰極和陽(yáng)極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。通常電解液都是氫氧化鉀溶液，濃度為20wt%～30wt%。隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用，兩電極主要由金屬合金組成，如Raney?Nickel（雷尼鎳），Ni-Mo合金等，起著分解水，產(chǎn)生氫和氧的作用。由能斯特方程可知

5、，電解池的工作溫度越高，電解電壓將越低，但溫度升高會(huì)增加對(duì)電解池隔膜材料的腐蝕，石棉在堿液中長(zhǎng)期使用溫度不能超過(guò)100℃，因此工業(yè)上廣泛使用的堿性水溶液電解池操作溫度為70～80℃，氣體壓力為0.1～3MPa。?堿性電解水解制氫是目前最成熟的大規(guī)模制氫方法。到目前為止，工業(yè)上大規(guī)模的電解水制氫基本上都是采用堿性電解池水電解制氫技術(shù)，該方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作。但其電能消耗較大，每立方米氫氣電耗約為4.5～5.5kW?h，電費(fèi)占整個(gè)電解水制氫生產(chǎn)費(fèi)用的80％左右。由于堿性電解池技術(shù)較為成熟，目前對(duì)其研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外對(duì)其關(guān)注的熱點(diǎn)主要集中在堿性電解池制氫設(shè)備的開

6、發(fā)方面。盡管在水電解制氫設(shè)備的開發(fā)方面取得了一定進(jìn)展，但其能耗大、成本高的關(guān)鍵性問(wèn)題仍沒(méi)有解決。?2.2?固體聚合物電解水制氫?與堿性電解水制氫技術(shù)相比，固體聚合物電解水制氫（SPE）技術(shù)主要有以下三方面的優(yōu)勢(shì)：（1）固體聚合物電解水制氫以固體聚合物膜為電解質(zhì),?電解循環(huán)中沒(méi)有堿液流失、腐蝕等問(wèn)題，并且由于固體聚合物電解質(zhì)膜較薄，減小了電解過(guò)程的歐姆損失，提高了系統(tǒng)的效率；（2）固體聚合物電解質(zhì)隔膜，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,?高的質(zhì)子傳導(dǎo)性,?良好的氣體分離性等優(yōu)點(diǎn)，提高了電解池的安全性，增加了氣體純度，并且由于較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，固體聚合物電解水制氫可在較高的電流密

7、度下工作，從而增大了電解效率；（3）固體聚合物電解水制氫采用膜電極三合一結(jié)構(gòu)，類似于堿性電解池中的零間距電解池結(jié)構(gòu)，因此降低了能耗。目前固體聚合物電解水制氫效率可以達(dá)到約80％。?固體聚合物電解水制氫具有環(huán)境友好、純度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿艽?，近年?lái)受到各國(guó)的普遍重視。第一臺(tái)SPE電解池是由通用電氣公司在1966年研制出來(lái)，當(dāng)時(shí)主要用于空間技術(shù)。隨后日本開展了World?Energy?Network?（WE-NET）計(jì)劃，對(duì)SPE電解池進(jìn)行了大量的研究。近年來(lái)SPE水電解制氫技術(shù)成為制氫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)在SPE水電解制氫領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，其研究主

8、要用于空間