电解水制氢技术发展现状及瓶颈分析.docx

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1、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”。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IRENA统计，全球范围内的氢气制备方法中，2018年，从

2、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%；煤气化制氢第三，占比18%,电解水制氢占比4%。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）是目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，就如蒸汽甲烷转化（SMR）技术，尽管在氨/尿素装置中，来自蒸汽甲烷重整的浓缩二氧化碳流（每年约13MtC02）被捕获并用于尿素肥料的生产，但仍有

3、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。电解水制氢技术立足于未来碳中性甚至负碳，技术相对成熟，被各界寄予厚望。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。目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

4、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。圆化石能源制氢工业副产氨口可再生能源制氢生物制氢等技术2023-2050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(A1K)质子交换膜(PEM)电解水、固体氧化物(SOEC)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

5、时特殊领域发展所需的高压紧凑型碱性电解水技术也得到了相应的发展。目前可实际应用的电解水制氢技术主要有A1K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1A1K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%到最大设计容量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0.25Acm2,能源效率通常在60%左右，所用的碱性电解液（如KOH）易与空气中的C02反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐，如K2C

6、03。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。三种电解水制氧槽性能对比特性I碱性电解水制氮质子交换膜电解水固体新化物电解水能源效率60%-75%70%-90%85%-100%运行温度。C70-9070-80700-1000电流密度.Vcnj20.2-0.41-21-10能耗kWh/Nn/4.5-5.S3.

7、8-5.02.6-3.6启停速度启停较快启停快启停慢动态响应能力较强强电能质Sj需求稳定电源稳定或波动稳定电源电解质20-30%KOHPEM（常用NafiOI1）Y2O3ZrO2系统运维有离蚀液体，后期运维复杂，成本高无腐蚀性液体，运维简单，成本低目前以技术研究为主，尚无运维需求电耨槽寿命可达1200Oh已达到IOOOoh-电解槽成本美元kv400-600约20001000-1500安全性较差较好较差占地面积较大占地面枳小未知特点技术成熟,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更换与贵金属电极），商业化水平低部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制材料选择，

8、尚未实现产业化国外代表企业法国MCPhy美国TeIedyne.挪威N美国Proton，加拿大HydrOgeniCS-国内代表企业苏州竞立，天津大陆制氢，中船蜃工718所中船工718所，中电车业,大连物化所，安思卓，中国航天科技507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，但目前仍高于A1K电解装置。与现有的A1K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

9、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。A1K和PEM电解槽的动态运行（2017）特性A1KPEM负载范围15-100%标准负领0-160%标准负我启动（热启动冷后动）170分钟1秒-5分钟上升/卜降0220%/杪100%/杪关闭170分钟秒级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（IO0%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OPEX（运营成本）为电网提供辅助性服务，前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A1K电解

10、装置（15bar）更高的压力（3Obar）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A1K和PEM相比，SoEC技术有望

11、进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。目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又将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

12、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年在瑞士实施HySTATtm60电解池的项目，为加氢站提供电解槽产品，每天可电解产生13Okg纯氢。美国ProtonOnsite公司在全球72个国家有约2000多套PEM电解水制氢装置，占据了世界上PEM电解水制氢70%的市场12o国内方面，PEM电解水制氢技术尚处于从研发走向商业化的前夕。中国科学院大连化物所从20世纪90年代开始研发PEM电解水制氢，在2008年开发出产氢气量为8Nm3h的电解池堆及系统，输出压力为4MPa、纯度为99.

13、99%。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。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、淳华氢能等。国内外PEM电解设备对比国别I美国德国美国中国中国中国公司名称ProtonOnsiteH-TECGiner718所塞克赛斯淳华氢能电解槽类叟PEM/PEMPEMPEMPEMPEM代表产品M系列ME100/350AIIagaSh系列纯水电解制氢设备Q1ES-H50-200M系列成本美元kv-1000-初氟速率Zu1h103-400013-6630-4000.01-5050-20030-300富气纯度。99.99

14、98%99.9%99.9995%99.99%一99.99%平均功耗3kWh/Nm4.534.9-5.0-输出压力bar30300-400-400-3035环境温度X10-40（可提供高低温度设备）-15-35-电解水温度5-50C-有无腐蚀性无无无无无无生产能力动态范围0-100%-1-100%-特点模块化电解效率达到74%,可移动横块化电解制氢效率可达85%以上-整合多模块功能.除了电解设备上的差距，国内外在PEM电解水市场应用差距也较大，国外PEM制氢应用场景有现场制氢加氢站、太阳能电解水制氢、风能电解水制氢等项目，2012年AeTranSit公司在EnICryViIIC开发了太阳能电解水

15、加氢站，利用510kW的太阳能电解水制氢，可满足12台公共汽车或20台轿车的氢气使用需要。电解制氢机由PrOtOrI公司提供，日产氢气65kg（压强500010000psi）12o规划方面，欧盟于2014年就提出了PEM电解水制氢的三步走的发展目标:第一步是满足交通运输用氢需求，适合于大型加氢站使用的分布式PEM电解水系统；第二步是满足工业用氢需求，包括生产IOMW、IOoMW和250MW的PEM电解池；第三步是满足大规模储能需求，包括在用电高峰期利用氢气发电，家庭燃气用氢和大规模运输用氢等。国内在PEM电解水制氢方面的规划则几乎空白。2 .国内PEM电解制氢发展瓶颈分析1）技术不成熟阻碍了PEM