电解水制氢技术发展现状及瓶颈分析

电解水制氢技术发展现状及瓶颈分析化石能源枯竭、生态环境恶化、极端气候频发等问题促使可再生能源被高 度重视与大力开发，而可再生能源自身间歇性、波动性等特点造成了大M的“弃水、弃风、弃光” O解决该问题有效的办法是将可再生能源的电力与电解水技术结合，制取高纯度的氢气与氧气，产生的气体宜接使用或是转换成电 力，提高可再生能源的利用率和占比。本文主要分析了当下国内外电解水技术 发展现状，通过从技术、设备、与可再生能源匹配度等角度分析总结。基于我 国电解水发展现状，重点剖析了PEM^氢技术发展的瓶颈问题,针对性指出了 未来发展趋势。为什么要发展电解水制氢？据IREYA统计，全球范围内的氢气制备方法中， 2018年，从终端产生的热值来统计，天然气制氢占比最高，达到48%其次是石油气化制氢，占比30%煤气化制氢笫三，占比18除电解水制氢占比4%48%48%2018年全球按终端热值口径各方法制氢占比情况国内范围来看，化石能源重整制氢（包括煤制氢、天然气制氢等）是LI前氢气最主要的来源，占比达到97%电解水制氢方面，规模占比约为3%可以看出无论是国内还是国外，电解水制氢都只占极低的比例，那么未来为什么要 发展电解水制根本原因在于现有成熟的制氢技术会造成大M的二氧化碳排放，就如蒸汽 中烷转化（SMR技术，尽管在氨/尿素装置中，来自蒸汽中烷重整的浓缩二氧化碳流（每年约13MtCO2）被捕获并用于尿素肥料的生产，但仍有大部分二氧化碳排被放到大气中。而其他技术如生物制氢、光电化学制氢、光生物制氢仍需 大M研发努力。1/10电解水制氢技术立足于未来碳中性其至负碳， 技术相对成熟，被各界寄予压望。电解水的设备一电解槽，由于其模块化特性，非常适合氢气的集中式生产，同时PEM制氢尤其适合与光伏、风能等可再生能源联合使用。随着可再生 能源尤其是太阳能和风能的成本下降，国际上越来越关注可再生能源电解水制 氢。LI前中国能源结构正逐渐从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多 元格局，国家发展和改革委员会与国家能源局联合发文，支持探索可再生能源 富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测，到 2050年之后，70%（气将来源于可再生能源，可以看出可再生能源电解水制氢未来将成为主流。47%20%化石能源制氢■工业副产氢可再生能源制氢■生物制氧等技术2020-2050年中国氢气供给结构预测电解水制氢技术发展现状及分析电解水制氢是在宜流电的作用下，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。根据电解质不同，主要可分为碱性电解（ALK）、质子交换膜（PEM）电解水、固体氧化物（S0EC）电解水三大类。上个世纪20年代，碱性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。70年代后，能源短缺、环境污染以及太空探索方面 的需求带动了PEMt解水技术的发展，同时特殊领域发展所需的高汗紧凑型碱 性电解水技术也得到了相应的发展。 U询可实际应用的电解水制氢技术主要有 ALK与PEM两类技术，SOECM有更高能效，但还处于实验室开发阶段。（一）三大电解水制氢技术解析ALK制氢商业应用成熟，优劣势明显2/10碱性电解水技术较成熟，运行专命可达20年。碱性电解槽以含液态电解质和多孔隔板为结构特征，操作范围从最小负荷 10%U最大设汁容M110%与其他电解槽技术相比，碱性电解水避免了因使用贵重材料而带来的成本负担。碱性电解水工作电流密度约为0.25A/cm2,能源效率通常在60虬右，所用的碱性电解液（如K0H易与空气中的C02反应，形成在碱性条件下不溶的碳 酸盐，如K2c03o这些不溶性的碳酸盐会阻塞多孔的催化层，阻碍产物和反应 物的传递，大大降低电解槽的性能。另一方面，碱性液体电解质电解槽也难以快速的关闭或者启动，制氢的速度也难以快速调节，因为必须时刻保持电解池 的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔的石棉膜混合，进而 引起爆炸。如此，碱性液体电解质电解槽就难以与具有快速波动特性的可再生 能源配合。三种电解水制氢棺性能对比特性 怎性电解75刘豆 质子交换授电解水 固体氧化物电解水能涯效率60%-75%70%-90%85%-100%运行温？rc70-9070-80700-1000电流感度acid20.2-0.41-21-10甲IlkVVh.Nui4.5-5.S3.8-5.02?6?3.6启彳幸速厦启停较快启停快启停慢动态响应能力强??电能质卡隔求建定电源空定或波动稳走电源电解质20-30%KOHPEM〈常用Nafion)Y?O3/ZrO2系统运堆有腐蚀液体，后期运维复杂，成本身无屈蚀性液体，运维简单，成本低目闻以技术研究为王，尚无运蛙需求电解槽寿命可达1200011已达到1000011??电解松成本姜兀，k\V400-600约20001000-1500安全性较差较好较差占地面帜较大占地面积小待点技术成熟.已实现工业大规模应用，成本低较好的可再生能源适应性，无污染，成本高（PEM里抉9黄金晞电极》，商业化水半低部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制材料选择，尚未实现产业化国外代裘企业法国Mcphy,关川Teledyne?挥咸Nel美3Proton>.UnXHydrogenics■■国内代裘企业苏州竞立，天津大陆制氢，中船ST718所中船重工718JJ,中电丰业，「、连物化所，安思申，中国航天科技50?所■■PEM^J氢优势明显，逐渐成为主流相比之下，PEMt解装置技术正在迅速兴起并用于商业用途，同时 PEMfe解槽的投资成本（CAPEX（以每千瓦计）大幅下降，但言丁前仍高于 ALK电解装置。与现有的ALK技术相比，PEMt解装置在运行中的灵活性和反应性更高。 这种显著提高的运营灵活性可能会提高电解制氢的整体经济效益，尤其是可以 很好地结3/10

PEMK术提供更宽广合可再生能源发电，从而可以从多个电力市场获得收益，因为的工作范围并且响应时间更短PEMK术提供更宽广ALK和PEM电解榕的动态运行（201刀特性ALKPEM负载范圉15-100%A准负我0-160%hi准负我启动（热启动冷川动）1-10分钟1秒？5分钟上升，卜降0.2?20%/抄100%/杪关闭1-10分仲秒级PE帆解系统可以以最低功率保持待机模式，并能在短时间按高于额定负 荷（100蛆上，高达200%的容M下运行。凭借优秀的调节功能， PEMfe解装置的运营商可以在其为客片提供氢气的同时，仍然能够以较低的额外 CAPE*口0PEX（运营成本）为电网提供辅助性服务，询提是有足够的氢存储M 9。电解压力方面，PE帆解装置可以在比ALK电解装置（15bar）更高的压力（30bar）下生产氢气，可以更好地适应下游高压需求的应用。同时PEM®氢设备简单、占地面积小，应用条件灵活。常规加氢站和加油 站类似，占地面积大，建设成本高；而采用电解水制氢的小微型制氢加氢站体 积小，装运方便（有条件的可以设计成可移动款式），非常适合在士地有限的大 城市、临时场景、独立的产业园区中使用。本田于 2016年推出利用太阳能电解水制氢的小型加氢站，可以为公司内部的氢燃料电池汽车加注氢气，如图 3:本田智能氢气站（是世界上首个同时具备氢气的制造、贮藏、填充的智能设 备）。4/10本田智能氢气站SOEC^J氢技术可能效率最高，但尚不成熟与ALK和PEMff比，SOE俄术有望进一步提高电解水制氢效率。然而，SOEB一种不太成熟的技术，仅在实验室和通过小型示范规模发展。U前其投资成本比较高昂，SOE必生产主要需要陶瓷和一些稀有材料作为 催化剂层，同时对高温热源的需求可能也会限制 SOE必长期经济可行性（其可以采用的可再生能源只有聚光太阳能和高温地热）。（二）PE帆解水制氢技术与应用进展1.欧美日PE帆解市场应用相对成熟，国内刚刚起步在美国，PEMfe解水技术于20世纪70年代被用作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乂将PE帆解水技术应用于空间站中，作宇航员生命