基于可再生能源純水電解制氫技術展望
化石能源的消耗、生態環境的不斷惡化，導致大力開發和利用可再生清潔能源解決當前的能源危機成為當務之急。然而可再生能源因其本身具有不均勻性、間斷特性，導致它的利用率和占比低。水電解制氫技術已相當成熟，尤其是基于PEM電解水制氫系統的響應速度快，適應動態操作的特點，適合于可再生能源消納制氫，將制取的氫氣作為燃料應用在工業P2G中，是近年來氫儲能和能源循環的發展思路。
1 緒論
1.1 我國可再生能源電力的消納問題
自18世紀工業革命以來，煤、石油、天然氣這些傳統的化石能源是人類發展中最主要的一次能源，然而隨著化石能源的不斷消耗，資源的不斷短缺以及由此帶來的全球變暖、生態氣候環境不斷惡化的今天，可再生清潔能源的大力開發和利用已經成為解決能源危機的當務之急。我國幅員遼闊，既有西北部的風能，又有東部沿海的水電能，但因其本身具有不均勻性、間斷特性，這就會對并網輸送時電網帶來沖擊，引起電網的波動和不安全。這些電能不能實現并網，因此造成了可再生能源的大量浪費，出現大量的“棄水、棄風、棄光”。
1.2 氫能源的優勢
儲能技術在可再生能源能被有效利用和大力開發過程中扮演著重要角色。在眾多的儲能技術中，氫能和氫儲能具有明顯優勢。作為可再生二次能源的氫能具有以下優點:①能量密度高，其能量密度可達142，351kJ/kg，是除核燃料外能量密度最高的燃料，且其燃燒發熱值約是汽油的3倍。②可循環性，氫氣化學反應后的產物只有清潔的水，因此具有可循環性。③清潔性，與其他固液燃料相比較，氫氣的反應產物很單一，只有純水，沒有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等污染環境的氣體。④氫能的普遍性，由于它的反應產物水廣泛存在于自然界，再加上氫氣具有可循環性，因此獲取氫氣無資源壁壘問題。
此外，對于那些不均勻性、間斷特性的大量“棄水、棄風、棄光”，氫氣是一種理想的能量儲存介質，氫氣作為能源載體的優勢在于:①氫能和電能之間可以通過中間環節電解水技術實現兩者的相互聯系;②氫氣也可以被壓縮儲存，甚至可以成為液氫，具有很高的能量密度;③氫氣可以成比例放大應用到電網。
1.3 氫能發展現狀及意義
大力發展氫能產業，不僅將顛覆傳統的化石能源行業，而且對于交通運輸方面也將大大改觀，比如:氫能燃料電池汽車，它既沒有碳排放，環保清潔，而且續航能力強，反應產物只有水。這對國民經濟的發展有著重大作用，可使我國經濟的發展從數量增長型轉變為質量增長型。
氫能源汽車市場規模:2025年可達500億元。氫能源汽車產量:2025年預計超過5萬輛。我國現擁有豐富的低成本的氫氣資源，中國約有300萬噸副產氫和工業制氫可用作動力氫直接使用，無需新增投。并且棄電可制得約170萬噸氫氣，可供應數百萬輛燃料電池車輛使用。并且政府明確支持氫能產業發展，給予了大力補貼。
同時一次能源的現狀為，2017年我國石油對外依存度為68.85%，天然氣對外依存度為38.77%，且進口量逐年增長。氫能作為可再生的二次清潔能源，如果能夠得到有效的大力開發和利用，就可以優化我國的能源結構，成為未來能源轉換的中心支柱。全球多數國家高度重視氫能源的發展，如美國、日本、德國甚至將發展氫能源提升到國家戰略高度，不斷加大對氫能源和燃料電池研發及產業化的扶持力度。我國具有豐富的氫能源供給經驗和產業基礎，每年的風電、光伏、水電等可再生能源用于電解水制氫的約有200萬噸，在未來的發展中有望成為中國氫能源供給的主要來源。
2 水電解制氫技術
2.1 制氫技術
目前主流的制氫技術分為一次不可再生能源制氫、水電解制氫、太陽能光解制氫等方式。我國工業用氫絕大部分是通過化石燃料制氫的方式獲得的，然而一次不可再生能源有限，且反應過程中會有污染環境的雜質氣體，因此它是一種不可持續發展的技術。
電解水制氫技術已相當成熟，工藝簡單，制取的氫氣和氧氣純度高，其優點有:①工藝流程簡單;②制氫過程不僅環保，而且反應產物氫氣純度高，最重要的是這種制氫方式沒有有害雜質氣體的排放;③消耗電力較大，可以考慮將可再生能源用于發電制氫;④基于制氫設備啟動快，響應迅速，且運行負載范圍較寬，可以較好地適應和匹配可再生能源電力的波動性。而且由于電解水制氫技術本身耗電量較大，平均每產生1立標方氫氣要消耗5度電能，制氫成本較高，故而未大規模使用。然而可以利用上述的大量“棄水、棄風、棄光”用于發電來制取清潔的二次能源氫氣，這樣的制氫方式不僅提高了可再生能源的利用率和占比，而且降低了制氫成本。
2.2 水電解制氫技術的發展
水電解制氫的原理是在制氫設備中通入穩定的直流電，純水在直流電的作用下，在電解小室的陰極側產生氫氣，在電解小室的陽極側產生氧氣。發展至今，主要有三種不同類型的水電解制氫設備:堿性電解，聚合物薄膜電解以及固體氧化物電解。其中堿性電解是技術最為成熟，市場占有率最大且使用時間最長，易于操作;固體氧化物電解的制造工藝比較復雜，材料和壽命均處于實驗研發階段，還未大規模應用在工程實際中;聚合物薄膜電解槽(Protonexchangemembrane)也稱質子交換膜電解，它將傳統堿性電解槽中的隔膜和電解質替換為全氟磺酸型質子交換膜，質子交換膜的兩側是催化劑構成的多孔電極，它的導電原理與堿性的液體導電原理有著根本的不同，是靠氫離子的定向移動來實現的，而氫離子的移動是依靠固定在膜網絡上的磺酸根離子來實現的。膜電極組件(membraneelectrodeassembly，MEA)是PEM電解槽運行過程中電能轉換為化學能的場所，是PEM電解池的“心臟”。
2.3 PEM水電解制氫與傳統堿性水電解制氫的對比
純水PEM制氫相比于傳統堿性水電解制氫有以下優點:①兩級室的分隔物不同，PEM型的分隔物是分子級微孔的離子膜，厚度很小，它不易產生氫反滲透;然而傳統堿性的隔膜不是分子級微孔，故易產生氫反滲透。②兩者的電極不同，PEM型的催化電極屬于分子級微孔，緊貼于離子膜兩邊及其內部孔道間，是一種零極距催化電極，它的優點是反應面積大，轉換效率高;而傳統堿性的電極間有最小距離限制，極間電阻大，導致電流變大，發熱量高，轉換效率低。③兩者的電解槽結構不同，PEM型的電解槽內兩級室的集電器結構緊密且有彈性，從而使得電解槽重量輕、體積小，重量僅是相同產氫量的普通電解槽的1/3，優點是零極距，槽內阻小;而傳統堿性電解槽內極室的集電器沒有彈性，從而電能熱損失高，轉換效率低。④兩者的電解液不同，PEM型只需要純水，不需任何添加物，沒有腐蝕性液體，從而對壞境無污染，同時氣體純度也高;而傳統堿性電解液中需要添加15%NaOH或30%KOH，因此電解液腐蝕性強，易產生沖液污染負載管路。⑤兩者電解槽內的電傳導方式不同，PEM型中氫離子是在具有活性的質子交換膜中移動，從而在陰極產生還原氫氣;而傳統堿性是正、負離子在水溶液中分別運動，從而在兩級產生氫氧氣體。
此外，PEM水電解技術被譽為制氫領域極具發展前景的水電解制氫技術之一，它與傳統堿性水電解制氫相比，除有以上優點外，還具有氣體輸出壓力高，純度好。并且電流密度大，電推小型化，便于集成，系統簡單，不需要那么多的輔助設備，所以安裝簡單，維護少、易于操作。同時，PEM電解水制氫的系統響應速度快，適應動態操作，這非常適用于可再生能源如風能、太陽能輸電的不均勻性、間歇性。而傳統堿性水電解的響應速度比較慢，不如PEM電解水制氫技術的動態響應。
3 PEM水電解技術與可再生能源的結合
我國可再生能源資源豐富，例如我國北部的風能資源以及東南部沿海的水能資源，基于PEM電解水制氫系統的響應速度快，適應動態操作的特點，可以利用上述的“棄水、棄風、棄光”等可再生能源消納制氫，將制取的氫氣作為可再生的二次能源或是燃料應用在工業P2G中，是近年來氫儲能和能源循壞的發展思路。氫儲能技術已被認為是解決“棄水、棄風、棄光”問題的最有效途徑，目前國內外已進行了廣泛研究，并在部分地區建成了示范運行項目。例如在挪威的優特西拉島就有一個風能和氫能相互轉換的著名案例，那是在當地建設了一套風力發電和氫氣儲能發電相結合的供電系統。當島上的風力較大，風能電力過剩時，可以通過水電解技術來制取氫氣并儲存起來，當風力較小時，氫氣則會通過燃料電池產生需要的電力，從而保證島上居民的正常用電。
4 可再生能源制氫技術展望利用
可再生能源制氫，結合氫能源燃料電池技術發電，形成可持續能源發展的理念，這樣的可循環能源發展思路非常適合我國國土遼闊，可再生能源豐富但不均勻的國家。針對于那些不能并網使用的“棄水、棄風、棄光”，利用這些可再生能源發電制取氫氣不僅降低了直接的經濟損失，同時對于推動可循環能源利用、氫能源的開發利用具有重要意義。2019年日本G20期間，國際能源署IEA發表了氫能報告，指出:今日的氫能與以往有所不同，將以前所未有的勢頭蓬勃發展，各國要抓住機遇發展氫能。我國具有豐富的氫能供給經驗和產業基礎，應用市場潛力巨大，不斷實施頂層規劃，明確氫能作為能源產品的相關法規體系，持續完善氫能管理相關的法律法規體系，不斷推動可再生能源產業健康發展、優化能源結構。隨著全球氫能源的發展，相信早日能夠實現可持續能源發展。
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