水電解制氫技術(shù)

0引言氫能是實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、燃料網(wǎng)、熱力網(wǎng)“三網(wǎng)”之間彼此銜接、清潔高效轉(zhuǎn)化的重要紐帶，在構(gòu)建多種能源形式彼此互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)，打造清潔、低碳、高效、靈活的能源體系中發(fā)揮著重要作用。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、使用等核心環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)水平提高和規(guī)?；a(chǎn)能夠使整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的成本降低，從而促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展，助力國(guó)家“3060”雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2021年10月25日，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等部門(mén)《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見(jiàn)》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2021〕1464號(hào)）中提出：到2025年，通過(guò)實(shí)施節(jié)能降碳行動(dòng)，鋼鐵、電解鋁、水泥、平板玻璃行業(yè)能效達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過(guò)30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強(qiáng)度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強(qiáng)。圖1為中國(guó)氫能流向圖。圖1中國(guó)氫能流向圖（2019年數(shù)據(jù)）1氫的特性氫氣與天然氣特性對(duì)比見(jiàn)表1。與甲烷相比，氫氣在高溫下更易揮發(fā)，氫可以分解成2個(gè)原子（H），這些原子能夠滲入鋼中并再次結(jié)合為H2，這將導(dǎo)致材料中的張力不均勻，產(chǎn)生氫脆而致使鋼失去強(qiáng)度。在輸送氫氣或含氫混合氣體時(shí)，需要選擇合適的輸送管道。表1氫氣與天然氣的特性對(duì)比2主要制氫技術(shù)（1）水電解制氫水電解制氫工藝主要有三種，一是堿性水電解制氫、二是PEM水電解制氫、三是固體氧化物水電解制氫技術(shù)（SOEC）。堿性水電解制氫多采用鐵為陰極面，鎳為陽(yáng)極面的串聯(lián)電解槽（外形似壓濾機(jī)）來(lái)電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。陽(yáng)極出氧氣，陰極出氫氣。國(guó)內(nèi)堿性水電解制氫設(shè)備單臺(tái)穩(wěn)定最大產(chǎn)氣量為1000m3/h。堿性水電解制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，且工作溫度較低，無(wú)需使用貴金屬作為催化劑，制造成本見(jiàn)圖2。圖2產(chǎn)能1000m3/h的堿性水電解制氫設(shè)備制造成本PEM水電解制氫工藝具有工作電流密度高、電解效率高、反應(yīng)無(wú)污染、裝備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。隨著PEM水電解技術(shù)的不斷突破，與可再生能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深度耦合，可使其成為電網(wǎng)調(diào)峰的理想能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換裝置。SOEC制氫技術(shù)仍處于研發(fā)階段。（2）堿性水電解制氫工藝堿性水電解制氫系統(tǒng)主要由電解槽、氣液處理器（框架）、加水泵、水堿箱、控制柜、整流柜、整流變壓器和阻火器等部分組成，由槽體、陽(yáng)極、陰極構(gòu)成電解槽。浸沒(méi)在電解液中的一對(duì)電極中間隔以防止氣體滲透的隔膜構(gòu)成水電解池，當(dāng)通以一定的直流電時(shí)，水就發(fā)生分解，在陰極析出氫氣，陽(yáng)極析出氧氣。雙極式電解槽雖然也是由多個(gè)并列的電解池（小室）構(gòu)成，但是是由若干電解池以串聯(lián)的方式靠一組電源供電，并不是獨(dú)立供電的陽(yáng)極與獨(dú)立供電的陰極，總共只有一個(gè)陽(yáng)極與一個(gè)陰極。電解槽的一端是陽(yáng)極板，另一端是陰極板，中間有若干極板把電解槽分成多個(gè)小室。每?jī)蓚€(gè)極板間有隔膜。在陽(yáng)極板與陰極板總電勢(shì)作用下，中間各極板均勻的分配電勢(shì)，使每個(gè)小室組成有陽(yáng)極板與陰極板的電解池。每個(gè)小室的陽(yáng)極板同時(shí)是緊鄰小室的陰極板，同樣陰極板也是緊鄰小室的陽(yáng)極板，一塊極板正反兩面具有相反極性，故稱(chēng)之為雙極板。氫、氧分離器中的電解液經(jīng)連通管匯集，經(jīng)堿液過(guò)濾器除去機(jī)械雜質(zhì)后，由循環(huán)泵經(jīng)流量開(kāi)關(guān)打入電解槽，形成閉環(huán)系統(tǒng)，保證連續(xù)運(yùn)行，堿性水電解系統(tǒng)如圖3所示。圖3堿性水電解系統(tǒng)圖（3）水電解制氫產(chǎn)業(yè)化及關(guān)鍵環(huán)節(jié)路徑堿性水電解制氫的主要環(huán)節(jié)包括：①堿性水電解工藝的優(yōu)化和提升；②核心裝備電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效率低成本制造、性能檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)化；③堿性水電解裝備配套材料的優(yōu)化和升級(jí)；④滿(mǎn)足制造相應(yīng)部件材料的加工裝備。3氫能在玻璃熔窯中應(yīng)用氫氣是綠色清潔能源，并且熱值高、適合替代化石燃料。根據(jù)國(guó)內(nèi)當(dāng)前主流玻璃窯爐運(yùn)行狀況，對(duì)其進(jìn)行綠色清潔燃料改造和升級(jí)，有效降低碳排放，氫能科學(xué)研究?jī)r(jià)值和生態(tài)效益顯著。圍繞玻璃熔窯氫能應(yīng)用，研究氫氣燃燒熔窯仿真模擬及動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，火焰燃燒特征，輻射傳熱效率的影響規(guī)律；開(kāi)展窯型結(jié)構(gòu)、燃燒控制、噴槍、水蒸氣/羥基控制等關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)；提出適應(yīng)玻璃生產(chǎn)工況的安全儲(chǔ)氫、輸氫、窯前混合等解決方案。建成示范線(xiàn)并實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)氫能替代率≥30%，燃燒過(guò)程降低CO2排放的效果。秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司有著近70年的技術(shù)沉淀，創(chuàng)新研發(fā)了許多新型窯爐及燃燒系統(tǒng)配套技術(shù)，具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。研發(fā)并完成世界第一條超大噸位優(yōu)質(zhì)浮法玻璃生產(chǎn)線(xiàn)；研發(fā)并完成國(guó)內(nèi)最大規(guī)模、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的800t/d級(jí)高水蒸氣、高堿蒸汽全氧燃燒窯爐；在國(guó)內(nèi)最早使用高氫燃料進(jìn)行大規(guī)模平板玻璃生產(chǎn)；最早完成玻璃熔窯多種燃料混合燃燒技術(shù)；以上各工程技術(shù)的應(yīng)用為氫氣制造、輸送、控制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有助于氫能在玻璃生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)施。4結(jié)語(yǔ)堿性水電解制氫技術(shù)工藝較為成熟，也存在耗電大、生產(chǎn)成本高、工作電流密度較低、堿液流失、設(shè)備腐蝕問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效率低成本制造，配套材料的替換和升級(jí)，制造新部件的裝備，全面提升水電解制氫技