電解水制氫技術(shù)綜述

1 引言

能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ),當(dāng)前人類使用的主要能源為化石能源?;茉吹氖褂秒m帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,但同時(shí)也帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染及CO2排放問題,為此人類迫切需要用清潔可持續(xù)的綠色低碳能源來代替化石能源的使用,減少環(huán)境污染和溫室氣體排放。

氫氣是元素周期表中的第一位元素,也是組成水、石油、煤和生命體等的重要元素之一。氫能源作為一種清潔、無污染、燃燒熱值高的新型能源,是目前新能源的研究熱點(diǎn)之一,在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)背景下,將在可再生能源占主導(dǎo)地位的能源體系中扮演舉足輕重的角色。加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè),則是各國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障能源安全和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇。

水電解制氫被認(rèn)為是未來制氫的發(fā)展方向,特別是利用可再生能源電解水制氫,具備將大量可再生能源電力轉(zhuǎn)移到難以深度脫碳工業(yè)部門的潛力。從技術(shù)路線看,電解水是一種綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活的制氫技術(shù),其產(chǎn)品純度高、技術(shù)相對(duì)成熟,并且可利用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模制備,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)之一。

2 電解水制氫工藝技術(shù)

根據(jù)電解液的不同,當(dāng)前被認(rèn)為可大規(guī)模推廣的電解制氫技術(shù)主要分為3種:液體電解液—堿性電解(alkaline water electrolysis,AWE);酸離子環(huán)境中的電解—質(zhì)子交換膜電解(proton exchange membrane,PEM);高溫電解—固體氧化物電解(solid oxide electrolysis,SOEC),其中堿性電解池制氫是研究發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)、最為成熟的技術(shù)。

2.1 堿性電解池

堿性電解制氫技術(shù)是目前最成熟、商業(yè)化程度最高的電解制氫技術(shù),MW級(jí)規(guī)模的電解裝置已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。電解池結(jié)構(gòu)主要包括電極、隔膜、電解液、電解池四部分。電解液常采用堿性氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或氫氧化鈣溶液(20 wt~30 wt%);特定的隔膜(通常采用石棉布或者聚砜等絕緣材料)將電解池分隔出陰極電解區(qū)域和陽極電解區(qū)域(鎳基材料為電極),陰極區(qū)產(chǎn)生的氫氣和陽極區(qū)產(chǎn)生的氧氣彼此不混合,增加了裝置的安全性。堿性電解池電流密度一般在0.25 A/cm2左右,能耗5 kWh/Nm3 H2,效率通常在60%左右。

在外部電源作用下,堿性電解液中的OH-吸附在陽極催化層,經(jīng)催化后OH-失去電子成為O2和水,產(chǎn)生的自由電子經(jīng)陰陽極間的外接電路到達(dá)陰極。被吸附在陰極催化層的水分子獲得電路供給的電子,生成氫氣和OH-。堿性電解液中部分OH-和H2O會(huì)通過隔膜,在兩個(gè)電解槽之間發(fā)生遷移和擴(kuò)散,保持槽內(nèi)離子濃度的平衡,維持兩極電解區(qū)域的電中性。堿性電解池電解原理示意圖如圖2.1-1所示。

圖2.1-1 堿性電解池水電解原理示意圖

目前該技術(shù)的局限性主要存在于:

  1. 1.隔膜為多孔材料,氣體容易滲透,比較厚,電能損失較多;

2.由于快速變載會(huì)造成兩側(cè)壓力失衡,進(jìn)而氫過多滲透造成爆炸風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)響應(yīng)性很慢,與具有快速波動(dòng)特性的可再生能源配合性能相對(duì)較差;

3.最大電流密度通常限制在0.45 A/cm2以內(nèi)(一般為0.2~0.4 A/cm2)。因?yàn)樵谳^高的電流密度下,產(chǎn)生的氣泡在重力作用下會(huì)沿電極表面向上流動(dòng),從而在整個(gè)電極表面形成一層連續(xù)的非導(dǎo)電氣膜;

4.電解液為強(qiáng)堿性、強(qiáng)腐蝕性物質(zhì),整個(gè)電解系統(tǒng)的內(nèi)部管道、電解槽、泵等都需在較強(qiáng)堿液下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.2 固體氧化物電解池

一個(gè)典型的固體氧化物電解池,其核心組成包括:電解質(zhì)、陽極(也稱為氧電極)和陰極(也稱為氫電極),如圖2.2?1所示。中間是致密的電解質(zhì)層,兩邊為多孔的氫電極和氧電極。電解質(zhì)的主要作用是隔開空氣/氧氣和燃料氣體,并且傳導(dǎo)氧離子,因此一般要求電解質(zhì)致密且具有高的離子電導(dǎo)和可忽略的電子電導(dǎo)。電極一般為多孔結(jié)構(gòu),以增加電化學(xué)反應(yīng)的三相界面,并有利于氣體的擴(kuò)散和傳輸。此外,平板式的SOEC還需要密封材料,多個(gè)單體SOEC組成電堆還需要連接體材料。

圖2.2?1 固體氧化物電解池主要組成

從反應(yīng)過程上講,較高溫度下(700 ~ 900℃),在SOEC兩側(cè)電極上施加一定的直流電壓,H2O陰極被還原分解產(chǎn)生H2和O2-,O2-穿過致密的固體氧化物電解質(zhì)層到達(dá)陽極,失去電子析出O2。陰極和陽極的半電池反應(yīng)分別為:

陰極:H2O + 2e → H2 + O2-(1)

陽極:O2-→ 2e + 12 O2(2)

從原理上講,高效率和高產(chǎn)率是SOEC制氫的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn),其內(nèi)在原因是高溫下的電化學(xué)過程使得電解反應(yīng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面比低溫電解更具優(yōu)勢(shì)。除此之外,SOEC還具有其他優(yōu)點(diǎn):

1. 原料適應(yīng)性廣。除了電解水制氫,SOEC還可以共電解CO2和H2O制備合成氣(CO和H2)。由于電解的原料來自于捕獲的CO2,因此從整個(gè)過程來看,采用該方法合成碳?xì)淙剂系倪^程不產(chǎn)生新的CO2,具有碳中性循環(huán)的優(yōu)點(diǎn);

2. 運(yùn)行模式多樣化。首先,SOEC具有運(yùn)行可逆的優(yōu)勢(shì),可以在電解池和燃料電池(SOFC)模式之間靈活切換。用作高效產(chǎn)氫或電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,將電能高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(氫能),也可在燃料電池模式下運(yùn)行,通過電化學(xué)反應(yīng)得到電能。其次,SOEC制氫可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整電壓窗口,可以在吸熱、放熱和熱中性條件下運(yùn)行,可調(diào)控的靈活性使得SOEC容易與具有不同熱源的可再生能源耦合,具有更好的靈活性和更大的應(yīng)用空間;

3. 全固態(tài)和模塊化組裝。SOEC的核心部件為固體氧化物陶瓷材料和不銹鋼材料,具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性,且不使用貴金屬催化劑,材料成本低廉。模塊化的組裝方式使得它可以根據(jù)需要靈活調(diào)整產(chǎn)氫規(guī)模用于多種場(chǎng)合,從移動(dòng)式、固定式制氫裝置到制氫廠,具有很好的發(fā)展前景。

然而固體氧化物電解池仍存在高溫工作環(huán)境致使的缺點(diǎn),例如:

1. 由于溫度原因,陰極部分材料會(huì)出現(xiàn)逐漸燒結(jié)的狀況;

2. 陽極材料隨著電解過程中氧氣的產(chǎn)生,發(fā)生團(tuán)聚反應(yīng),使得電極氣孔率發(fā)生改變,催化劑的催化活性降低;

3. 長(zhǎng)時(shí)間的高溫電解,使得固態(tài)電解質(zhì)與陰極部分界面材料發(fā)生反應(yīng)形成高阻抗,增加能耗;

4. 高溫對(duì)電解池連接材料的要求,同時(shí)高溫工況造成的熱能及水資源損失,增大了電解池選材要求。因此高溫固體氧化物電解池相關(guān)裝置,短期內(nèi)無法形成大規(guī)模的實(shí)際使用。

2.3 質(zhì)子交換膜電解池

固體聚合物膜也稱為質(zhì)子交換膜,可提供高導(dǎo)電性,允許緊湊化設(shè)計(jì)和高壓操作。薄膜厚度低(90~300 μm)是質(zhì)子交換膜有諸多優(yōu)點(diǎn)的原因之一。目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜品牌有:Nafion®、Fumapem®、Flemion®和Aciplex®等。

質(zhì)子交換膜電解池主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護(hù)片、端板等組成,如圖2.3-1所示。

2.3-1  質(zhì)子交換膜電解槽結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)子交換膜電解池的工作原理如圖2.3-2所示:首先通過水泵供水到陽極,水在陽極被分解成氧氣(O2),質(zhì)子(H+)和電子(e-),質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極。電子從陽極流出,經(jīng)過電源電路到陰極,同時(shí)電源提供驅(qū)動(dòng)力(電池電壓)。在陰極一側(cè),兩個(gè)質(zhì)子和電子重新結(jié)合產(chǎn)生氫氣。質(zhì)子交換膜電解池化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

陽極發(fā)生析氧反應(yīng)(OER):

2 H2O + 4 e- → 4 H+ + O23

陰發(fā)生析氫反應(yīng)(HER):

4 H+ + 4 e- →2 H24

2.3-2  質(zhì)子交換膜電解池原理示意圖

2.4 電解水制氫技術(shù)對(duì)比

根據(jù)電解液的不同,當(dāng)前被認(rèn)為可大規(guī)模推廣的電解制氫技術(shù)主要分為3種:堿性電解、質(zhì)子交換膜電解和固體氧化物電解。2.4-1是三種水電解制氫技術(shù)對(duì)比,表2.4-2為電解水和其它工業(yè)制氫技術(shù)對(duì)比。

表2.4?1  三種水電解制氫技術(shù)對(duì)比

注:LSM為(La1-xSrx1-yMnO3;YSZY()穩(wěn)定的ZrO2。

2.4?2  工業(yè)制氫技術(shù)對(duì)比

在現(xiàn)有的制氫技術(shù)中,使用煤或天然氣制氫具有顯著的成本優(yōu)勢(shì),而且我國(guó)具有豐富的煤炭資源。但使用化石能源作為原料終究不可持續(xù),而且會(huì)產(chǎn)生新的污染。使用甲醇等化工原料制氫受上游產(chǎn)品約束,產(chǎn)量和價(jià)格浮動(dòng)較大,難以形成穩(wěn)定有效的氫能供給。使用工業(yè)尾氣制氫同樣存在原料少,來源不穩(wěn)定的問題。故可以支撐未來巨大氫能需求量,原料來源穩(wěn)定的制氫方式應(yīng)為電解水制氫。雖然目前由于成本太高,電解水在氫能制備產(chǎn)業(yè)中只占4%左右,與其它方式相比暫時(shí)不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但如果能考慮利用我國(guó)每年大量不能上網(wǎng)的風(fēng)能和光伏等可再生能源電力作為能源,可以極大地降低制氫用電成本,推動(dòng)電解水技術(shù)推廣使用,同時(shí)可有效解決可再生電力消納問題。

3 技術(shù)展望

電解水制氫技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于其成本的降低,成本一般包括:①設(shè)備成本;②能源成本(電力);③其他運(yùn)營(yíng)費(fèi)用;④原料費(fèi)用(水)。其中,能源成本即電力成本占比最大,一般為40%~60%(AWE/PEM),甚至可達(dá)80%,該部分主要由能源轉(zhuǎn)化效率(即電解制氫效率)因素驅(qū)動(dòng),設(shè)備成本占比次之。對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)而言,當(dāng)制氫成本降至20元/kg以下時(shí),相比于化石能源制氫,電解制氫才具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),此時(shí)可再生能源電價(jià)需降低至0.3元/kWh以下。

降低綠氫成本不僅需要政府在可再生能源電力上的政策傾斜與激勵(lì),還需要科研人員在關(guān)鍵材料研制上的進(jìn)步與突破,從而降低設(shè)備成本。電解制氫設(shè)備成本可從兩個(gè)方面減少。一是從電解槽設(shè)計(jì)與單電池材料入手,使用較少的關(guān)鍵材料,尤其是Pt、Ir等成本較高的貴金屬材料,或用非貴金屬材料(Ni、Fe等)取代。重新設(shè)計(jì)電解槽以實(shí)現(xiàn)更高的效率(更低的電力成本)、更高的耐久性(更長(zhǎng)的壽命)以及更高的電流密度,可通過優(yōu)化膜厚度來降低歐姆電阻(同時(shí)還需兼顧氣體滲透問題),以提升電解效率;對(duì)多孔層傳輸層(PTL)、雙極板流道等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,如優(yōu)化孔隙率、孔徑、厚度等PTL結(jié)構(gòu)參數(shù),采用三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)流場(chǎng)等,以提升電解槽性能與壽命。二是從增加單槽和工廠生產(chǎn)的規(guī)模來提升應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性,通過執(zhí)行高通量、自動(dòng)化的制造工藝,降低每個(gè)組件的成本。

綜上所述,目前被認(rèn)為可大規(guī)模推廣的三種電解制氫技術(shù)各有優(yōu)劣勢(shì),一是堿性電解水制氫,其特點(diǎn)是啟停較快,已在工業(yè)上應(yīng)用,還需進(jìn)一步發(fā)展系統(tǒng)集成和配套技術(shù)。二是質(zhì)子交換膜電解水制氫,其特點(diǎn)是啟停快,但面臨貴金屬電催化劑成本高的挑戰(zhàn),還需進(jìn)一步研究復(fù)合材料、非貴金屬材料來降低成本。三是固體氧化物電解水制氫,因部分電能被熱能取代,轉(zhuǎn)化效率可達(dá)85%以上,期待該技術(shù)盡快突破材料的高溫穩(wěn)定性,在大規(guī)模電解水制氫方面發(fā)揮作用。

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