电解水制氢技术发展现状及瓶颈分析.docx

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量的 “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，产生的气体直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 制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 陰 电解水制氢占比 4%。水电解4%煤汽化1B%石油汽化3 朋天然气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 发展电解水制氢？根本原因在于现有成熟的制氢技术会造成大量的二氧化碳排放，就如蒸汽 屮烷转化（SMR）技术，尽管在氨/尿素装置中，来自蒸汽屮烷重整的浓缩二氧化 碳流（每年约 13Mt CO2）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 大量研发努力。5 / 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%氢气将 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。化石能源制氢工业副产氢 可再生能源制氢生物制氫等技术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 PEM 电解水技术的发展，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，SOEC 具有更高能效，但还处于实验室开发阶段。（一）三大电解水制氢技术解析1. ALK 制氢商业应用成熟，优劣势明显碱性电解水技术较成熟，运行寿命可达 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%到最大设汁容量 110%。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%左右，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 ACID20.2-0.41-21-10fillkVVh.Nui4.5-5.S3.8-5.0263.6启倖速廈动态响应能力启停较快启停快强启停慢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 电解槽寿命电解松成本 姜元，kV 安全性占地面帜有腐蚀液体，后期运维复杂， 成本高可达 1200011400-600较差较大技术成熟.已实现工业大规模 应无屈蚀性液体，运维简单，成 本低已达到 1000011约 2000较好占地面积小较好的可再生能源适应性，无 污目闻以技术硏究为王，尚无 运蛙需求1000-1500较差未知部分电能被热能取代，转化 效率待点用，成本低染，成本高（PEM 里抉 9 黃 金晞高，高溫限制材料选 择，尚未实电极，商业化水半低现产业化国外代裘企业法国 Mcphy,关川Teledyne 美 3Proton > .U n XHydrogenic 国内代裘企业揮咸 Nel苏州竞立，天津大陆制氢，中船 ST718 所s中船重工 718JJ，中电丰业,、连物化所，安思車，中国航天 科技 50? 所2. PEM 制氢优势明显，逐渐成为主流相比之下，PEM 电解装置技术正在迅速兴起并用于商业用途，同时PEM 电 解槽的投资成本（CAPEX）（以每千瓦计）大幅下降，但訂前仍高于ALK 电解装 置。与现有的ALK 技术相比，PEM 电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PEM 技 术提供更宽广的工作范围并且响应时间更短。ALK 和PEM 电解榕的动态运行（201 刀特性ALKPEM负载范圍15-100%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0.220%/抄100%/杪关闭1-10 分仲秒级PEM 电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%以上，高达 200%）的容量下运行。凭借优秀的调节功能，PEM 电解装 置的运营商可以在其为客户提供氢气的同时，仍然能够以较低的额外CAPEX 和 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量 9。电解 压力方面， PEM 电解装置可以在比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 制氢设备简单、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），非常适合在土地有限的大 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）。本田智能氢气站3. SOEC 制氢技术可能效率最高，但尚不成熟与ALK 和PEM 相比，SOEC 技术有望进一步提高电解水制氢效率。然而， SOEC 是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，SOEC 的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SOEC 的长期经济可行性（其可 以采用的可再生能源只有聚光太阳能和高温地热）。（二）PEM 电解水制氢技术与应用进展1.欧美日PEM 电解市场应用相对成熟，国内刚刚起步在美国，PEM 电解水技术于 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 电解水技术的开发中取得长足的进步。欧盟、北 美、日本涌现了很多PEM 电解水设备企业，这些企业在某种程度上推动了 PEM 电解水的发展。如加拿大Hydrogenics 公司于 2011 年在瑞十实施HySTATtm60 电解池的项LI, 为加氢站提供电解槽产品，每天可电解产生 130k 呂纯氢。美国