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田江南1, 蔣晶2, 羅揚(yáng)3, 馬雄4
1．中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 西城區(qū) 100120
2．山西省第二地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)檢測中心，山西省 侯馬市 043011
3．香港大學(xué)土木工程系，中國 香港 999077
4．國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū) 銀川市 750011
Development Status and Trend of Green Hydrogen Energy Technology
TIAN Jiangnan1, JIANG Jing2, LUO Yang3, MA Xiong4
1. North China Power Engineering Co., Ltd. of China Power Engineering Consultant Group, Xicheng District, Beijing 100120, China
2. Shanxi Second Geological Engineering Geology Team Testing Center, Houma 043011, Shanxi Province, China
3. Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China
4. Ningxia Coal Industry Co., Ltd. of National Energy Group, Yinchuan 750011, Ningxia Autonomous Region, China
摘要
氫能具有單位質(zhì)量熱值高、用途廣泛和可再生等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。介紹了3種電解水制氫設(shè)備，指出風(fēng)電制氫主要有3種連接形式：并網(wǎng)型風(fēng)電制氫；離網(wǎng)型風(fēng)電制氫；并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫。光伏制氫主要有2種類型：間接連接；直接連接。結(jié)論表明質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)對新能源(風(fēng)電、光伏發(fā)電)電源的波動性適應(yīng)性較強(qiáng)，應(yīng)從電極材料等方面入手，降低質(zhì)子膜電解水制氫設(shè)備成本。
關(guān)鍵詞： 綠氫 ; 新能源制氫 ; 風(fēng)電 ; 光伏
Abstract
Hydrogen energy has attracted much attention because of its high calorific value per unit mass, wide application and reproduce ability. Three kinds of electrolytic water hydrogen production equipment are introduced. It is pointed out that there are three main connection forms of wind power hydrogen production: grid-connected wind power hydrogen production; Off-grid wind power hydrogen production; Grid-connected wind power hydrogen production. There are two main types of photovoltaic hydrogen production: indirect connection; direct connection. The conclusion shows that the proton membrane electrolytic water hydrogen production technology has a strong adaptability to the fluctuation of new energy sources (wind power, photovoltaic power), and the cost of proton membrane electrolytic water hydrogen production equipment should be reduced from the aspects of electrode materials.
Keywords： green hydrogen ; new energy hydrogen production ; wind power ; photovoltaic
Abstract
Hydrogen energy has attracted much attention because of its high calorific value per unit mass, wide application and reproduce ability. Three kinds of electrolytic water hydrogen production equipment are introduced. It is pointed out that there are three main connection forms of wind power hydrogen production: grid-connected wind power hydrogen production; Off-grid wind power hydrogen production; Grid-connected wind power hydrogen production. There are two main types of photovoltaic hydrogen production: indirect connection; direct connection. The conclusion shows that the proton membrane electrolytic water hydrogen production technology has a strong adaptability to the fluctuation of new energy sources (wind power, photovoltaic power), and the cost of proton membrane electrolytic water hydrogen production equipment should be reduced from the aspects of electrode materials.
Keywords： green hydrogen ; new energy hydrogen production ; wind power ; photovoltaic
本文引用格式
田江南, 蔣晶, 羅揚(yáng), 馬雄. 綠色氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢. 分布式能源[J], 2021, 6(2): 8-13 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2106013
TIAN Jiangnan, JIANG Jing, LUO Yang, MA Xiong. Development Status and Trend of Green Hydrogen Energy Technology. Distributed Energy[J], 2021, 6(2): 8-13 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2106013
0 引言
中國政府在2020年巴黎氣候變化大會上承諾，中國將在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。2019年氫能首次寫入《政府工作報(bào)告》，2020年發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書也指明了新時代氫能源發(fā)展方向。發(fā)展清潔和可再生的綠色能源已經(jīng)成為我國能源革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前氫能被普遍視為最理想的未來能源。在眾多制氫工藝路線中，保證整個工藝流程的脫碳非常重要?？稍偕茉窗l(fā)電制氫不僅意味著能夠徹底實(shí)現(xiàn)零碳排放，而且隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和工業(yè)化，制氫的成本也會下降。在不久的將來，氫能的應(yīng)用會在經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中占到重要的位置。
氫能作為一種清潔能源，有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，地球上氫的豐度非常高，氫是水的組成元素，地球上75%左右的面積都是水域；第二，氫能的單位質(zhì)量熱值高，是一種潛力很大的儲能介質(zhì)；第三，氫能還是最環(huán)保的能源，其作為能源利用后只會產(chǎn)生水，不會排放其他污染物和二氧化碳。根據(jù)國外某咨詢公司估計(jì)，全球氫能市場規(guī)模到本世紀(jì)中葉將達(dá)到能源總需求的18%。
目前，氫氣的生產(chǎn)工藝有很多種，其中生產(chǎn)過程中伴有大量二氧化碳排放的氫，稱為“灰氫”。如果把二氧化碳捕集封存利用起來，不排放，那么灰氫就變成“藍(lán)氫”了。而用可再生能源發(fā)出的清潔電再電解水制氫，這個氫叫作“綠氫”。未來制氫工藝發(fā)展的基本方向是：灰氫不可取，藍(lán)氫可以用，廢氫可回收，綠氫是方向[1]。
國內(nèi)外已經(jīng)開展和即將開展的綠電制氫項(xiàng)目較多，由于章節(jié)限制僅列出幾個重點(diǎn)項(xiàng)目[2]。(1)英國蘇格蘭風(fēng)氫能源辦公樓系統(tǒng)，2016年建成，系統(tǒng)組成：風(fēng)電容量750 kW，電解槽容量30 kW，儲氫量11 kg，儲氫壓力1 200 kPa，燃料電池容量4 kW。(2)河北沽源風(fēng)電聯(lián)合制氫示范項(xiàng)目，2019年試運(yùn)行，系統(tǒng)包括容量200 MW的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、耗電量10 MW的電解水制氫系統(tǒng)和氫氣綜合利用系統(tǒng)，氫氣年產(chǎn)能為1 752萬m3。(3)日本福島氫能研究場，2020年建成，項(xiàng)目由東芝、東北電力、日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)合作開發(fā)，安裝了10 MW電解槽設(shè)備，通過20 MW光伏陣列供電，并從電網(wǎng)接入了一路可再生能源電力作為備用電源。這套電解槽設(shè)備最多可制100 kg/h綠色氫氣。(4)寧夏寶豐能源太陽能電解水制氫儲能及綜合應(yīng)用示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目是目前國際頂級制氫儲能項(xiàng)目，預(yù)計(jì)建成后合計(jì)年產(chǎn)氫氣1.6億m3，每年可減少煤炭資源消耗25.4萬t、減少二氧化碳排放約44.5萬t，項(xiàng)目一期于2020年4月開工。(5)亞洲可再生能源中心，位于澳大利亞皮爾巴拉，由16 GW陸上風(fēng)能和10 GW太陽能為14 GW電解槽供電，預(yù)計(jì)年產(chǎn)氫氣175萬t，計(jì)劃2027年投產(chǎn)。
上述案例包括風(fēng)電制氫項(xiàng)目、光伏制氫項(xiàng)目、風(fēng)電＋光伏混合電源制氫項(xiàng)目，可見資本已進(jìn)入新能源制氫領(lǐng)域，國內(nèi)的綠色氫能業(yè)務(wù)也將面臨大發(fā)展[3]。本文就風(fēng)電、光伏制氫技術(shù)展開論述。
1 電解水制氫技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球制氫總量約保持在3 400 t/d，其中我國的制氫量約為1 320 t/d。從世界角度來看，96%以上的制氫原料都來自于化石原料的化學(xué)重整，其余基本來源于電解水制氫。氫氣可從多種途徑制備，制氫技術(shù)大多數(shù)較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。目前新型制氫技術(shù)主要包括生物法制氫、生物質(zhì)熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術(shù)主要包括煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫等[4]。
“綠氫”制備過程中一個環(huán)節(jié)就是電解水制氫，電解水制氫目前主流的方向有3個，分別是電解堿水制氫技術(shù)、質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)和高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)，下面主要對這3項(xiàng)技術(shù)展開介紹[5]。
1.1 電解堿水制氫
電解堿水制氫技術(shù)是一種最成熟的電解水制氫技術(shù)，也是目前商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的電解水制氫技術(shù)。早在20世紀(jì)初就已經(jīng)研發(fā)出1 MW級別的大規(guī)模制氫設(shè)備了。電解堿水制氫設(shè)備主要由電解液、陽極、陰極和膈膜等組成，如圖1所示。堿性電解槽通常采用KOH溶液(20%～30%)作為電解液，在電解水制氫過程中堿液不消耗，只起到離子輸送的作用。電解堿水制氫技術(shù)是最早研發(fā)、技術(shù)最成熟的電解水制氫技術(shù)，具有操作簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是電解效率低、電源波動性適應(yīng)性差、堿液有腐蝕性等[6,7]。
堿性電解槽工作溫度通常為40～80 ℃，電解槽中電解液的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高。因冷態(tài)啟動時電解液處于常溫，其電阻值較大，而電解槽的電壓是一定的，這樣電流就較小，產(chǎn)氫量也較小。隨著通電時間的增長，堿液溫度隨之升高，堿液導(dǎo)電率越來越高，產(chǎn)氫量也就會逐漸提高。堿水電解槽可在20%～110%變負(fù)荷運(yùn)行，冷態(tài)啟動2～3 h，熱啟動15 min。為了解決電解堿水制氫設(shè)備的變工況運(yùn)行能力問題，通常采用的辦法是對其進(jìn)行熱備用，保持電解槽內(nèi)的堿液在一定的溫度下，以便及時熱啟動制氫。電解堿水制氫過程的化學(xué)方程式如下：
陰極反應(yīng)：2e＋2H2O＝H2↑＋2OH－
陽極反應(yīng)：4OH－＝2H2O＋O2↑＋4e
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
1.2 質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)
質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫電解槽的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，PEM電解槽的主要組成部分包括陰極、陽極和膜電極，其中膜電極由2塊氣體擴(kuò)散層、1張噴涂有陰陽極催化層的質(zhì)子交換膜組成。端板起到導(dǎo)電以及傳遞水、氣的作用，陽極以Ti材料為主，陰極可以采用石墨、Ti和不銹鋼等材料；擴(kuò)散層主要用于促進(jìn)氣液傳質(zhì)的作用，通常由導(dǎo)電的多孔材料構(gòu)成，比如，Ti網(wǎng)、Ni網(wǎng)等；催化層是催化劑、擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜三相的交界面；質(zhì)子交換膜可以阻止電子傳遞以及氧氣與氫氣的接觸，同時又能將質(zhì)子從陽極傳遞到陰極，目前應(yīng)用最廣泛的Nafion膜是美國杜邦公司生產(chǎn)的。
3 結(jié)論
1．中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 西城區(qū) 100120
2．山西省第二地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)檢測中心，山西省 侯馬市 043011
3．香港大學(xué)土木工程系，中國 香港 999077
4．國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū) 銀川市 750011
Development Status and Trend of Green Hydrogen Energy Technology
TIAN Jiangnan1, JIANG Jing2, LUO Yang3, MA Xiong4
1. North China Power Engineering Co., Ltd. of China Power Engineering Consultant Group, Xicheng District, Beijing 100120, China
2. Shanxi Second Geological Engineering Geology Team Testing Center, Houma 043011, Shanxi Province, China
3. Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China
4. Ningxia Coal Industry Co., Ltd. of National Energy Group, Yinchuan 750011, Ningxia Autonomous Region, China
摘要
氫能具有單位質(zhì)量熱值高、用途廣泛和可再生等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。介紹了3種電解水制氫設(shè)備，指出風(fēng)電制氫主要有3種連接形式：并網(wǎng)型風(fēng)電制氫；離網(wǎng)型風(fēng)電制氫；并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫。光伏制氫主要有2種類型：間接連接；直接連接。結(jié)論表明質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)對新能源(風(fēng)電、光伏發(fā)電)電源的波動性適應(yīng)性較強(qiáng)，應(yīng)從電極材料等方面入手，降低質(zhì)子膜電解水制氫設(shè)備成本。
關(guān)鍵詞： 綠氫 ; 新能源制氫 ; 風(fēng)電 ; 光伏
Abstract
Hydrogen energy has attracted much attention because of its high calorific value per unit mass, wide application and reproduce ability. Three kinds of electrolytic water hydrogen production equipment are introduced. It is pointed out that there are three main connection forms of wind power hydrogen production: grid-connected wind power hydrogen production; Off-grid wind power hydrogen production; Grid-connected wind power hydrogen production. There are two main types of photovoltaic hydrogen production: indirect connection; direct connection. The conclusion shows that the proton membrane electrolytic water hydrogen production technology has a strong adaptability to the fluctuation of new energy sources (wind power, photovoltaic power), and the cost of proton membrane electrolytic water hydrogen production equipment should be reduced from the aspects of electrode materials.
Keywords： green hydrogen ; new energy hydrogen production ; wind power ; photovoltaic
Abstract
Hydrogen energy has attracted much attention because of its high calorific value per unit mass, wide application and reproduce ability. Three kinds of electrolytic water hydrogen production equipment are introduced. It is pointed out that there are three main connection forms of wind power hydrogen production: grid-connected wind power hydrogen production; Off-grid wind power hydrogen production; Grid-connected wind power hydrogen production. There are two main types of photovoltaic hydrogen production: indirect connection; direct connection. The conclusion shows that the proton membrane electrolytic water hydrogen production technology has a strong adaptability to the fluctuation of new energy sources (wind power, photovoltaic power), and the cost of proton membrane electrolytic water hydrogen production equipment should be reduced from the aspects of electrode materials.
Keywords： green hydrogen ; new energy hydrogen production ; wind power ; photovoltaic
本文引用格式
田江南, 蔣晶, 羅揚(yáng), 馬雄. 綠色氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢. 分布式能源[J], 2021, 6(2): 8-13 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2106013
TIAN Jiangnan, JIANG Jing, LUO Yang, MA Xiong. Development Status and Trend of Green Hydrogen Energy Technology. Distributed Energy[J], 2021, 6(2): 8-13 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2106013
0 引言
中國政府在2020年巴黎氣候變化大會上承諾，中國將在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。2019年氫能首次寫入《政府工作報(bào)告》，2020年發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書也指明了新時代氫能源發(fā)展方向。發(fā)展清潔和可再生的綠色能源已經(jīng)成為我國能源革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前氫能被普遍視為最理想的未來能源。在眾多制氫工藝路線中，保證整個工藝流程的脫碳非常重要?？稍偕茉窗l(fā)電制氫不僅意味著能夠徹底實(shí)現(xiàn)零碳排放，而且隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和工業(yè)化，制氫的成本也會下降。在不久的將來，氫能的應(yīng)用會在經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中占到重要的位置。
氫能作為一種清潔能源，有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，地球上氫的豐度非常高，氫是水的組成元素，地球上75%左右的面積都是水域；第二，氫能的單位質(zhì)量熱值高，是一種潛力很大的儲能介質(zhì)；第三，氫能還是最環(huán)保的能源，其作為能源利用后只會產(chǎn)生水，不會排放其他污染物和二氧化碳。根據(jù)國外某咨詢公司估計(jì)，全球氫能市場規(guī)模到本世紀(jì)中葉將達(dá)到能源總需求的18%。
目前，氫氣的生產(chǎn)工藝有很多種，其中生產(chǎn)過程中伴有大量二氧化碳排放的氫，稱為“灰氫”。如果把二氧化碳捕集封存利用起來，不排放，那么灰氫就變成“藍(lán)氫”了。而用可再生能源發(fā)出的清潔電再電解水制氫，這個氫叫作“綠氫”。未來制氫工藝發(fā)展的基本方向是：灰氫不可取，藍(lán)氫可以用，廢氫可回收，綠氫是方向[1]。
國內(nèi)外已經(jīng)開展和即將開展的綠電制氫項(xiàng)目較多，由于章節(jié)限制僅列出幾個重點(diǎn)項(xiàng)目[2]。(1)英國蘇格蘭風(fēng)氫能源辦公樓系統(tǒng)，2016年建成，系統(tǒng)組成：風(fēng)電容量750 kW，電解槽容量30 kW，儲氫量11 kg，儲氫壓力1 200 kPa，燃料電池容量4 kW。(2)河北沽源風(fēng)電聯(lián)合制氫示范項(xiàng)目，2019年試運(yùn)行，系統(tǒng)包括容量200 MW的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、耗電量10 MW的電解水制氫系統(tǒng)和氫氣綜合利用系統(tǒng)，氫氣年產(chǎn)能為1 752萬m3。(3)日本福島氫能研究場，2020年建成，項(xiàng)目由東芝、東北電力、日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)合作開發(fā)，安裝了10 MW電解槽設(shè)備，通過20 MW光伏陣列供電，并從電網(wǎng)接入了一路可再生能源電力作為備用電源。這套電解槽設(shè)備最多可制100 kg/h綠色氫氣。(4)寧夏寶豐能源太陽能電解水制氫儲能及綜合應(yīng)用示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目是目前國際頂級制氫儲能項(xiàng)目，預(yù)計(jì)建成后合計(jì)年產(chǎn)氫氣1.6億m3，每年可減少煤炭資源消耗25.4萬t、減少二氧化碳排放約44.5萬t，項(xiàng)目一期于2020年4月開工。(5)亞洲可再生能源中心，位于澳大利亞皮爾巴拉，由16 GW陸上風(fēng)能和10 GW太陽能為14 GW電解槽供電，預(yù)計(jì)年產(chǎn)氫氣175萬t，計(jì)劃2027年投產(chǎn)。
上述案例包括風(fēng)電制氫項(xiàng)目、光伏制氫項(xiàng)目、風(fēng)電＋光伏混合電源制氫項(xiàng)目，可見資本已進(jìn)入新能源制氫領(lǐng)域，國內(nèi)的綠色氫能業(yè)務(wù)也將面臨大發(fā)展[3]。本文就風(fēng)電、光伏制氫技術(shù)展開論述。
1 電解水制氫技術(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球制氫總量約保持在3 400 t/d，其中我國的制氫量約為1 320 t/d。從世界角度來看，96%以上的制氫原料都來自于化石原料的化學(xué)重整，其余基本來源于電解水制氫。氫氣可從多種途徑制備，制氫技術(shù)大多數(shù)較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。目前新型制氫技術(shù)主要包括生物法制氫、生物質(zhì)熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術(shù)主要包括煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫等[4]。
“綠氫”制備過程中一個環(huán)節(jié)就是電解水制氫，電解水制氫目前主流的方向有3個，分別是電解堿水制氫技術(shù)、質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)和高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)，下面主要對這3項(xiàng)技術(shù)展開介紹[5]。
1.1 電解堿水制氫
電解堿水制氫技術(shù)是一種最成熟的電解水制氫技術(shù)，也是目前商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的電解水制氫技術(shù)。早在20世紀(jì)初就已經(jīng)研發(fā)出1 MW級別的大規(guī)模制氫設(shè)備了。電解堿水制氫設(shè)備主要由電解液、陽極、陰極和膈膜等組成，如圖1所示。堿性電解槽通常采用KOH溶液(20%～30%)作為電解液，在電解水制氫過程中堿液不消耗，只起到離子輸送的作用。電解堿水制氫技術(shù)是最早研發(fā)、技術(shù)最成熟的電解水制氫技術(shù)，具有操作簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是電解效率低、電源波動性適應(yīng)性差、堿液有腐蝕性等[6,7]。
陰極反應(yīng)：2e＋2H2O＝H2↑＋2OH－
陽極反應(yīng)：4OH－＝2H2O＋O2↑＋4e
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
1.2 質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)
質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫電解槽的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，PEM電解槽的主要組成部分包括陰極、陽極和膜電極，其中膜電極由2塊氣體擴(kuò)散層、1張噴涂有陰陽極催化層的質(zhì)子交換膜組成。端板起到導(dǎo)電以及傳遞水、氣的作用，陽極以Ti材料為主，陰極可以采用石墨、Ti和不銹鋼等材料；擴(kuò)散層主要用于促進(jìn)氣液傳質(zhì)的作用，通常由導(dǎo)電的多孔材料構(gòu)成，比如，Ti網(wǎng)、Ni網(wǎng)等；催化層是催化劑、擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜三相的交界面；質(zhì)子交換膜可以阻止電子傳遞以及氧氣與氫氣的接觸，同時又能將質(zhì)子從陽極傳遞到陰極，目前應(yīng)用最廣泛的Nafion膜是美國杜邦公司生產(chǎn)的。
PEM電解水制氫裝置在工作過程中，水作為電解的原料從陽極極板的流道進(jìn)入，經(jīng)過擴(kuò)散層在一定電壓和陽極催化劑作用下析氧，產(chǎn)生的氧氣通過擴(kuò)散層又回到陽極端板的流道被水帶出。陽極反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子在水的攜帶下通過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極催化劑的作用下析氫，產(chǎn)生的氫氣和攜帶過來的水通過擴(kuò)散層進(jìn)入陰極流道排出。陰陽極的催化劑分別負(fù)載在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，與兩片擴(kuò)散層形成了PEM電解池的核心部件，也就是膜電極。PEM電解水制氫主要包括以下化學(xué)反應(yīng)過程：
陰極：2H＋＋2e－＝H2
陽極：2H2O－4e－＝O2＋4H＋
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
1.3 高溫固體氧化物電解水制氫
高溫固體氧化物電解水制氫發(fā)展始于20世紀(jì)70年代的美國GE公司和Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室以及之后的德國Dornier公司。由于工作在高溫條件(1 000 ℃)，部分能量可以由熱能提供，因此效率較高。在考慮余熱利用的情況下，其效率可達(dá)90%。但1 000 ℃的高溫對材料提出了很高要求，目前高溫固體氧化物電解水制氫基本還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。其工作原理如圖3所示，高溫水蒸氣通過中心孔道，在陰極表面生成H2，O2－通過中間的高溫氧化物傳遞到陽極并失去電子形成O2。高溫固體氧化物電解水制氫主要包括以下電化學(xué)反應(yīng)過程：
陰極：2H＋＋2e－＝H2
陽極：2H2O－4e－＝O2＋4H＋
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
1.3 高溫固體氧化物電解水制氫
高溫固體氧化物電解水制氫發(fā)展始于20世紀(jì)70年代的美國GE公司和Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室以及之后的德國Dornier公司。由于工作在高溫條件(1 000 ℃)，部分能量可以由熱能提供，因此效率較高。在考慮余熱利用的情況下，其效率可達(dá)90%。但1 000 ℃的高溫對材料提出了很高要求，目前高溫固體氧化物電解水制氫基本還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。其工作原理如圖3所示，高溫水蒸氣通過中心孔道，在陰極表面生成H2，O2－通過中間的高溫氧化物傳遞到陽極并失去電子形成O2。高溫固體氧化物電解水制氫主要包括以下電化學(xué)反應(yīng)過程：
陰極：H2O＋2e－＝H2＋O2－
陽極：2O2－－4e－＝O2
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
綜上，以上3種電解水制氫技術(shù)的特點(diǎn)如表1所示。
陽極：2O2－－4e－＝O2
總反應(yīng)式為：2H2O＝2H2↑＋O2↑
綜上，以上3種電解水制氫技術(shù)的特點(diǎn)如表1所示。
2 新能源制氫技術(shù)
目前，由化石原料制氫具有較大的價(jià)格優(yōu)勢和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，但是碳捕捉和收集技術(shù)還不夠成熟，化石燃料的使用將不可避免地帶來碳排放問題。而可再生能源(太陽能、風(fēng)能等)發(fā)電電解制氫技術(shù)卻可以實(shí)現(xiàn)碳的零排放。隨著可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用和電解水制氫技術(shù)的不斷更新，新能源電解水制氫在不久的將來必然會成為具有競爭力的技術(shù)[8]。
可再生能源(風(fēng)、光等)由于其固有的間歇性和波動性，導(dǎo)致風(fēng)電、光電無法長期持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)電，對新能源發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電帶來了難度，也出現(xiàn)了很多棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。
2017年水電、風(fēng)電和光電總棄電量1 007億kW·h。而當(dāng)年全中國的社會用電量約為6.3萬億kW·h。以75%的能量效率計(jì)算，這些棄電可產(chǎn)氫氣約259萬t，約占全國氫氣產(chǎn)量的10%。根據(jù)國際能源署的預(yù)測，到2030年電解水制氫市場份額將從5%增長到30%，電解水制氫技術(shù)也會在未來的氫能經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位[9,10]。
2.1 風(fēng)電制氫
風(fēng)電制氫技術(shù)是將風(fēng)資源通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，電能供給電解水制氫設(shè)備產(chǎn)生氫氣，通過將氫氣壓縮、存儲、輸送至用戶端，完成從風(fēng)能到氫能的轉(zhuǎn)化。根據(jù)風(fēng)電與網(wǎng)電連接形式的不同，可以將風(fēng)電制氫技術(shù)分為3種類型：(1)并網(wǎng)型風(fēng)電制氫；(2)離網(wǎng)型風(fēng)電制氫；(3)并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫。并網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場的35 kV或220 kV電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(fēng)消納和儲能。離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺風(fēng)機(jī)或多臺風(fēng)機(jī)所發(fā)的電能，不經(jīng)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)用于燃料電池發(fā)電供能。并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電與電網(wǎng)相連，但是風(fēng)電不上網(wǎng)，僅從電網(wǎng)下電滿足制氫的用電需求[9]。
風(fēng)電制氫技術(shù)主要涉及制氫和輸氫兩大關(guān)鍵技術(shù)，整個技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸運(yùn)系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)場風(fēng)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照控制需求可以從35 kV或220 kV電網(wǎng)處取電，經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化后，進(jìn)行電解水制氫，所制的氫氣先儲存在中壓儲氫罐中，然后，通過20 MPa氫氣壓縮機(jī)充灌到氫氣管束車，根據(jù)用氫需求進(jìn)行輸送。
由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動性的特點(diǎn)，電解水制氫裝置必須能夠適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的特性及時調(diào)整負(fù)荷，變工況運(yùn)行。電解槽間歇運(yùn)行時會出現(xiàn)以下不利情況：(1)電解堿水制氫電解槽難以快速啟停，產(chǎn)氫的速度也難以快速調(diào)節(jié)；(2)電解池的陰陽極兩側(cè)上的壓力均衡難以維持，易發(fā)生氫、氧氣體穿過多孔的隔膜進(jìn)而混合，易引起爆炸；(3)電解槽將工作溫度提高到額定運(yùn)行溫度需要一定的時間，而間歇式運(yùn)行導(dǎo)致電解槽長時間運(yùn)行在低于額定溫度的工作環(huán)境下，電解效率降低。因此，應(yīng)盡可能減少或避免電解槽出現(xiàn)間歇式運(yùn)行情況，以確保其能夠高效穩(wěn)定安全制氫?？稍陲L(fēng)電出力不足時向電網(wǎng)購電，確保電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行。但不具備外購電條件或外購電的經(jīng)濟(jì)性不好時，電解制氫系統(tǒng)對間歇性、波動性供電電源的適應(yīng)能力至關(guān)重要。
堿性電解槽目前主要存在2個問題：工作負(fù)荷范圍小和電流密度小。雖然目前PEM電解水技術(shù)由于設(shè)備成本較高，在應(yīng)用上沒有堿性電解那么廣泛，但PEM電解池更緊湊，其寬負(fù)荷適應(yīng)性和較快的響應(yīng)速度更適用于匹配可再生電源[11,12]。
2.2 光伏制氫
光伏發(fā)電的原理是光產(chǎn)生的伏特效應(yīng)，通過光伏元件可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。首先在硅單質(zhì)中摻入不同特性的半導(dǎo)體材料，因此硅內(nèi)部會產(chǎn)生多余的自由電子或者空穴。如將五價(jià)磷原子摻入硅中則會形成N型半導(dǎo)體材料，此時半導(dǎo)體內(nèi)部會出現(xiàn)多余的自由電子；如將三價(jià)的磷原子摻入硅中則會形成P型半導(dǎo)體，此時半導(dǎo)體內(nèi)部會形成多余的空穴。經(jīng)過摻入雜元素的硅仍為電中性，將一片硅片的兩面分別摻入不同的雜元素則形成PN結(jié)。PN結(jié)中的自由電子和空穴數(shù)量不同，由于擴(kuò)散的效果PN結(jié)內(nèi)部會形成電勢差。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子和空穴會發(fā)生定向移動(電子移向N，空穴移向P)。因此，PN結(jié)兩表面會形成電勢差，外電路就會產(chǎn)生電流。
光伏電解水制氫系統(tǒng)中光伏板與水電解槽之間的連接方式可以有兩種方式，一種可以稱之為間接連接，另一種稱之為直接連接。其中，間接連接系統(tǒng)主要由光伏組件、控制組件、蓄電池和氫儲能系統(tǒng)構(gòu)成。
2.2.1 間接連接
目前大多數(shù)光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)采用間接連接方式，整套系統(tǒng)由光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制器、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電解槽組成，如圖4這種連接方式使得光伏陣列所產(chǎn)生的電量為蓄電池吸收，然后通過DC/DC轉(zhuǎn)換器平穩(wěn)釋放。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列只有工作在最大功率點(diǎn)附近，才能使系統(tǒng)獲得最大的能量輸出。MPPT控制器的作用是使光伏陣列始終工作在最大功率點(diǎn)附近，保證光伏陣列始終在高轉(zhuǎn)換效率下工作。光伏陣列發(fā)出的電能隨光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化存在較大的波動，不斷變化的電流對電解槽性能會產(chǎn)生較大影響，為了削弱這種影響，采用蓄電池進(jìn)行緩沖儲能。DC/DC轉(zhuǎn)換器可用來調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使其滿足電解槽正常運(yùn)行的需要。
目前，由化石原料制氫具有較大的價(jià)格優(yōu)勢和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，但是碳捕捉和收集技術(shù)還不夠成熟，化石燃料的使用將不可避免地帶來碳排放問題。而可再生能源(太陽能、風(fēng)能等)發(fā)電電解制氫技術(shù)卻可以實(shí)現(xiàn)碳的零排放。隨著可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用和電解水制氫技術(shù)的不斷更新，新能源電解水制氫在不久的將來必然會成為具有競爭力的技術(shù)[8]。
可再生能源(風(fēng)、光等)由于其固有的間歇性和波動性，導(dǎo)致風(fēng)電、光電無法長期持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)電，對新能源發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電帶來了難度，也出現(xiàn)了很多棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。
2017年水電、風(fēng)電和光電總棄電量1 007億kW·h。而當(dāng)年全中國的社會用電量約為6.3萬億kW·h。以75%的能量效率計(jì)算，這些棄電可產(chǎn)氫氣約259萬t，約占全國氫氣產(chǎn)量的10%。根據(jù)國際能源署的預(yù)測，到2030年電解水制氫市場份額將從5%增長到30%，電解水制氫技術(shù)也會在未來的氫能經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位[9,10]。
2.1 風(fēng)電制氫
風(fēng)電制氫技術(shù)是將風(fēng)資源通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，電能供給電解水制氫設(shè)備產(chǎn)生氫氣，通過將氫氣壓縮、存儲、輸送至用戶端，完成從風(fēng)能到氫能的轉(zhuǎn)化。根據(jù)風(fēng)電與網(wǎng)電連接形式的不同，可以將風(fēng)電制氫技術(shù)分為3種類型：(1)并網(wǎng)型風(fēng)電制氫；(2)離網(wǎng)型風(fēng)電制氫；(3)并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫。并網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場的35 kV或220 kV電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(fēng)消納和儲能。離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺風(fēng)機(jī)或多臺風(fēng)機(jī)所發(fā)的電能，不經(jīng)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)用于燃料電池發(fā)電供能。并網(wǎng)不上網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電與電網(wǎng)相連，但是風(fēng)電不上網(wǎng)，僅從電網(wǎng)下電滿足制氫的用電需求[9]。
風(fēng)電制氫技術(shù)主要涉及制氫和輸氫兩大關(guān)鍵技術(shù)，整個技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸運(yùn)系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)場風(fēng)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照控制需求可以從35 kV或220 kV電網(wǎng)處取電，經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化后，進(jìn)行電解水制氫，所制的氫氣先儲存在中壓儲氫罐中，然后，通過20 MPa氫氣壓縮機(jī)充灌到氫氣管束車，根據(jù)用氫需求進(jìn)行輸送。
由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動性的特點(diǎn)，電解水制氫裝置必須能夠適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的特性及時調(diào)整負(fù)荷，變工況運(yùn)行。電解槽間歇運(yùn)行時會出現(xiàn)以下不利情況：(1)電解堿水制氫電解槽難以快速啟停，產(chǎn)氫的速度也難以快速調(diào)節(jié)；(2)電解池的陰陽極兩側(cè)上的壓力均衡難以維持，易發(fā)生氫、氧氣體穿過多孔的隔膜進(jìn)而混合，易引起爆炸；(3)電解槽將工作溫度提高到額定運(yùn)行溫度需要一定的時間，而間歇式運(yùn)行導(dǎo)致電解槽長時間運(yùn)行在低于額定溫度的工作環(huán)境下，電解效率降低。因此，應(yīng)盡可能減少或避免電解槽出現(xiàn)間歇式運(yùn)行情況，以確保其能夠高效穩(wěn)定安全制氫?？稍陲L(fēng)電出力不足時向電網(wǎng)購電，確保電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行。但不具備外購電條件或外購電的經(jīng)濟(jì)性不好時，電解制氫系統(tǒng)對間歇性、波動性供電電源的適應(yīng)能力至關(guān)重要。
堿性電解槽目前主要存在2個問題：工作負(fù)荷范圍小和電流密度小。雖然目前PEM電解水技術(shù)由于設(shè)備成本較高，在應(yīng)用上沒有堿性電解那么廣泛，但PEM電解池更緊湊，其寬負(fù)荷適應(yīng)性和較快的響應(yīng)速度更適用于匹配可再生電源[11,12]。
2.2 光伏制氫
光伏發(fā)電的原理是光產(chǎn)生的伏特效應(yīng)，通過光伏元件可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。首先在硅單質(zhì)中摻入不同特性的半導(dǎo)體材料，因此硅內(nèi)部會產(chǎn)生多余的自由電子或者空穴。如將五價(jià)磷原子摻入硅中則會形成N型半導(dǎo)體材料，此時半導(dǎo)體內(nèi)部會出現(xiàn)多余的自由電子；如將三價(jià)的磷原子摻入硅中則會形成P型半導(dǎo)體，此時半導(dǎo)體內(nèi)部會形成多余的空穴。經(jīng)過摻入雜元素的硅仍為電中性，將一片硅片的兩面分別摻入不同的雜元素則形成PN結(jié)。PN結(jié)中的自由電子和空穴數(shù)量不同，由于擴(kuò)散的效果PN結(jié)內(nèi)部會形成電勢差。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子和空穴會發(fā)生定向移動(電子移向N，空穴移向P)。因此，PN結(jié)兩表面會形成電勢差，外電路就會產(chǎn)生電流。
光伏電解水制氫系統(tǒng)中光伏板與水電解槽之間的連接方式可以有兩種方式，一種可以稱之為間接連接，另一種稱之為直接連接。其中，間接連接系統(tǒng)主要由光伏組件、控制組件、蓄電池和氫儲能系統(tǒng)構(gòu)成。
2.2.1 間接連接
目前大多數(shù)光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)采用間接連接方式，整套系統(tǒng)由光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制器、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電解槽組成，如圖4這種連接方式使得光伏陣列所產(chǎn)生的電量為蓄電池吸收，然后通過DC/DC轉(zhuǎn)換器平穩(wěn)釋放。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列只有工作在最大功率點(diǎn)附近，才能使系統(tǒng)獲得最大的能量輸出。MPPT控制器的作用是使光伏陣列始終工作在最大功率點(diǎn)附近，保證光伏陣列始終在高轉(zhuǎn)換效率下工作。光伏陣列發(fā)出的電能隨光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化存在較大的波動，不斷變化的電流對電解槽性能會產(chǎn)生較大影響，為了削弱這種影響，采用蓄電池進(jìn)行緩沖儲能。DC/DC轉(zhuǎn)換器可用來調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使其滿足電解槽正常運(yùn)行的需要。
間接連接還有一種方式就是光伏陣列輸出的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，然后以交流電的方式輸送至電解槽用電側(cè)。這種方式可適用于遠(yuǎn)距離輸送，避免了光伏低壓直流電遠(yuǎn)距離輸送的電損耗[13,14]。
2.2.2 直接連接
所謂直接連接方式是指將光伏陣列輸出的直流電直接通入電解槽，省去最大功率跟蹤等設(shè)備。如圖5所示，這種系統(tǒng)要求光伏陣列與電解槽的性能曲線有較好的匹配，以使系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)。光伏陣列與電解槽直接連接方式與圖4中的連接方式相比，省去了MPPT控制器、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)更為簡單。但是從圖5可看出，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列的輸出電壓和電流無法調(diào)節(jié)，若光伏陣列最大功率點(diǎn)的輸出電壓、電流與電解槽的工作電壓、電流不能很好的匹配，將會使光伏陣列在偏離最大功率點(diǎn)的地方運(yùn)行，導(dǎo)致光伏電池的轉(zhuǎn)換效率降低，從而使系統(tǒng)效率下降。因此，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列與電解槽的合理匹配是難點(diǎn)。另外，直接連接系統(tǒng)中沒有蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器等調(diào)節(jié)裝置，這也對電解槽的寬功率適應(yīng)性也提出了更高要求[15]。
2.2.2 直接連接
所謂直接連接方式是指將光伏陣列輸出的直流電直接通入電解槽，省去最大功率跟蹤等設(shè)備。如圖5所示，這種系統(tǒng)要求光伏陣列與電解槽的性能曲線有較好的匹配，以使系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)。光伏陣列與電解槽直接連接方式與圖4中的連接方式相比，省去了MPPT控制器、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)更為簡單。但是從圖5可看出，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列的輸出電壓和電流無法調(diào)節(jié)，若光伏陣列最大功率點(diǎn)的輸出電壓、電流與電解槽的工作電壓、電流不能很好的匹配，將會使光伏陣列在偏離最大功率點(diǎn)的地方運(yùn)行，導(dǎo)致光伏電池的轉(zhuǎn)換效率降低，從而使系統(tǒng)效率下降。因此，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列與電解槽的合理匹配是難點(diǎn)。另外，直接連接系統(tǒng)中沒有蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器等調(diào)節(jié)裝置，這也對電解槽的寬功率適應(yīng)性也提出了更高要求[15]。
3 結(jié)論
新能源制氫可改善大量棄風(fēng)、棄光的問題，新能源制氫產(chǎn)生的氫氣作為一種清潔高效能源在當(dāng)前具有很大的應(yīng)用潛力。但是新能源制氫也存在一些問題待解決，文章給出以下建議：
(1)風(fēng)電、光伏電具有波動性、間歇性的特點(diǎn)，PEM電解槽的響應(yīng)速度可達(dá)到毫秒級，PEM電解槽較堿水電解槽更適應(yīng)電源的波動性，因此在制氫端建議采用PEM電解槽。
(2) PEM電解槽的高成本主要是因?yàn)槠潆姌O板涂層材料較昂貴，PEM電解槽雙極板的成本占電解槽總成本的51%以上，可通過研發(fā)新型材料的方式降低PEM電解槽的造價(jià)。
(3)若新能源制氫采用堿水電解槽，可利用配置蓄電池、并網(wǎng)不上網(wǎng)等方式穩(wěn)定電解槽的輸入電壓，保證電解槽的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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(2) PEM電解槽的高成本主要是因?yàn)槠潆姌O板涂層材料較昂貴，PEM電解槽雙極板的成本占電解槽總成本的51%以上，可通過研發(fā)新型材料的方式降低PEM電解槽的造價(jià)。
(3)若新能源制氫采用堿水電解槽，可利用配置蓄電池、并網(wǎng)不上網(wǎng)等方式穩(wěn)定電解槽的輸入電壓，保證電解槽的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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