电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用总结归纳

电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用1、引言随着国民经济的快速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益锋利。能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源构造、削减环境污染、促进经济进展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力下，技术相对成熟、具备规模化开发条件的风力发电、太阳能光伏发电、太阳能光热发电等在世界范围内取得了飞速进展。由于风能等可再生能源自身特点打算了风电、太阳能发电等是典型的随机性、间歇性电源。其大规模并网发电对电网的安全稳定和运行调度等诸多方面均有很大影响。特别是随着可再生能源发电规模的不断扩大，对电网的影响将更加显着，这已成为制约可再生能源发电规模化进展的严峻障碍。?电解水制氢是一种高效、清洁的制氢技术，其制氢工艺简洁，产品纯度高，氢99.9％，是最有潜力的大规模制氢技术。特别是随着目前可通过将可再生能源发电经过电解水制氢技术，将可再生能源产生的电能转化为氢能进展储存，并且依据实际需要，还可通过后续化工过程将氢能转化为甲烷、甲醇及其他液态燃料等。?目前我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一。工业规模的制氢方法主要包括甲烷蒸汽重整和电解水制氢，其中电解水制氢的产量约占世界氢气总产量2023－92023202394％。尽管甲烷蒸汽重整是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃料，而且产生大量二氧化碳。电解水制氢工艺过程简洁，产品纯度高，通过承受可再生能源作为能量来源，可现氢气的高效、清洁、大规模制备，该技术也可CO2?目前的电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是目前格外成熟的制氢方法，目前为止，工业上大规模的电解水制氢根本上都是承受碱性电解制氢技术，该方法工艺每立方米氢气电耗约为4.5～5.5kWh80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。2、?电解水制氢技术?碱性电解水电解制氢?碱性电解水制氢装置是由假设干个单体电解池组成，每个电解池由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。通入直流电后，水在电解池中被分解，在阴极和阳极分别产生20wt%～30wt%。隔膜主要由石Raney?Nickel〔雷尼镍，Ni-Mo合金等，起着分解水，产生氢和氧的作用。由能斯特方程可知，电解池的工作温度越高，电解电压将越低，但温度上升会70～800.1～3MPa。?碱性电解水解制氢是目前最成熟的大规模制氢方法。到目前为止，工业上大规模的电解水制氢根本上都是承受碱性电解池水电解制氢技术，该方法工艺过程简洁，4.5～5.5kW?h，电费占整个80％左右。由于碱性电解池技术较为成熟，目前对其争论相对较少，国内外对其关注的热点主要集中在碱性电解池制氢设备的开发方面。尽管在水电解制氢设备的开发方面取得了肯定进展，但其能耗大、本钱高的关键性问题仍没有解决。??固体聚合物电解水制氢?与碱性电解水制氢技术相比，固体聚合物电解水制氢〔SPE〕技术主要有以下三方面的优势：固体聚合物电解水制氢以固体聚合物膜为电解质,?电解循环中没有碱液流失、腐蚀等问题，并且由于固体聚合物电解质膜较薄，减小了电解过程的欧姆损失，提高了系统的效率；固体聚合物电解质隔膜，具有良好的化学稳定性,?高的质子传导性,?良好的气体分别性等优点，提高了电解池的安全性，增加了气体纯度，并且由于较高的质子传导性，固体聚合物电解水制氢可在较高的电流密度下工作，从而增大了电解效率；固体聚合物电解水制氢承受膜电极三合一构造，类似于碱性电解池中的零间距电解池构造，因此降低了能耗。目前固体聚合物电解水制氢效率可以到达约80％。?固体聚合物电解水制氢具有环境友好、纯度高、效率高等优点，进展潜力很大，近SPE1966当时主要用于空间技术。随后日本开展了World?Energy?Network?〔WE-NET〕打算，SPESPESPE水电解制氢领域处于世界领先水平，其争论主要用于空间技术及海军核潜艇中的供氧装置。在90SPE供氧装置，并已应用在“海浪级”核潜艇上，该装置其工作压力约21MPa，电流密度1.4A/cm210099.99％?以上，电解池体积仅为WE-NET0.05m2SPE801.53V，电流密度可1A/cm299.2％。??高温固体氧化物电解水制氢?高温固体氧化物电解水电解制氢的最早报道是在 1982年，德国科学家〔W.Doenitz在HOTELLY首次成功实现了利用第一代电解质支撑的管式SOECSOEC高温电解制氢的试验和争论。1000℃下最大产氢速率可到达17.6Nl/h；日本原子能争论所的R.Hino38Ncm3/cm2h。SOEC是由于高温下材料性能的限制、清洁高效的高温热源的缺乏和当时化石燃料的价格〔INL〕和盐湖城Ceramics60NL/h，使SOECSPE降低了电能消耗，较大地提高了系统制氢效率，而且高温条件下电解，电极动力学性能显着改善，削减了电解过程的能量损失，较高地提高了电解效率。另外高温条件下电解，电极可承受非贵金属催化剂，降低了电解制氢本钱，并且SOEC材料构造避开了材料腐蚀问题。尽管高温条件使SOECSOEC，高温对无机密封和双极板连是SOFC与SOFC和电势梯度发生明显转变，对SOEC境下氢电极衰减等问题更是亟待解决。3?、电解水制氢技术在风力发电领域的应用风力发电是将可再生的风能转化为电能。到2023源资源，在世界能源市场上占有了重要的位置。目前由于风电并网问题的日益突出，全国风电场普遍存在弃风问题，经济损失巨大。基于上述缘由，通过电解水制氢技术，将弃风电能转换为氢能作为载体进展储存，并通过对氢能的综合利用，实现弃风电能的充分利用。?上述三种电解水制氢技术均可用于风力发电系统，各有不同优缺点。?碱性电解水制氢技术成熟、本钱低、易于实现大规模制氢应用，但是风力发电系统的电源稳定性相对较差，需要针对风力发电系统电源特点开发适宜于风力发电系统应用的碱性电解水制氢系统。?固体聚合物电解水制氢技术较为成熟、具有较好的变工况运行特性，较为适宜于风力发电系统的不稳定电源。但其本钱较高，制氢规模较小，进一步限制了固体聚合物电解水制氢技术在风力发电系统的应用。?高温固体氧化物电解水制氢技术具有较高的电解效率90温电解制氢工作温度较高，需要额外接入风电加热高温电解水制氢系统，这将降低高温电解水制氢的综合效率。另外，目前高温电解水制氢规模还与碱性电解水制氢综合来看，由于风力发电系统的装机规模较大，较为适宜于大规模的电解制氢技术，风力发电系统的电解水制氢技术宜承受碱性电解水制氢技术。?4?、电解水制氢技术在太阳能光伏发电领域的应用? 用于光伏发电系统的电解水制氢技术主要有：碱性电解水制氢技术和固体聚合物电解水制氢技术。由于光伏发电的装机规模远小于风力发电系统，其制氢规模相对较小，而且光伏发电的电源也存在肯定的波动性，每天夜间需要停机，要求与其太阳能光伏发电系统的电解水制氢技术宜承受固体聚合物电解水制氢技术。?5?、电解水制氢技术在太阳能光热发电领域的应用太阳能光热发电技术是承受大面积的太阳能反射镜，通过追踪系统，将太阳光聚焦到相应的接收器上，并加热流过接收器内的传热工质，在热转换设备中直接或间接产生高温、高压的蒸汽，然后送入常规的蒸汽轮机发电机组进展发电。太阳能热发电技术具有装机容量大、无需无功补充，对电网冲击小、年发电时间长，规模化后造价具有很大下降空间，并且该技术在设备制造、前期建设、电厂运行、后期处理过程中均无环境污染，通过储热系统还可实现连续发电等优势。截202342952023100万千瓦。?由于太阳能光热发电系统产生高温、高压蒸汽，格外适宜于高温固体氧化物电解水制氢技术。通过抽取局部太阳能光热发电系统的高温、高压蒸汽直接引入高温固体氧化物电解制氢系统，并通过局部光热发电所产生电能，可实现太阳能光热发电系统高效、稳定、清洁的规模化连续制氢。并通过对氢气的后续利用等进一步增加太阳能光热发电系统经济效益。?6、?结论能源安全与环境保护的双重压力下，大力进展可再生能源的是破解我国能源与环境问题的必由之路。其中技术相对成熟、具备规模化开发条件的风力发电、太阳能光伏发电、太阳能光热发电等在世界范围内取得了飞速进展。清洁、高效的氢作电解水制氢技术是实现将电能转换为氢载体进展储存的最抱负方式。?电解水制氢主要有碱性电解水制氢、固体聚合物电解水制氢、高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是当今最成熟的制氢技术，目前工业上大规模电解水制氢根本上都是承受该电解制氢技术；固体聚合物电解水制氢具有适宜于变工况运行及频繁启停操作、体积小、质量轻及模块