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绿色氢能技术发展现状与趋势

摘要：进入21世纪后，寻找新型能源成为当今世界各国重点关注的能源战略。氢能因其高效、清洁、可再生，是解决未来能源危机最有潜力的能源之一，它能同时解决能源危机和环境污染问题，有着广阔的应用前景。

关键词：绿氢；新能源制氢；风电；光伏

一、电解水制氢技术

1、电解碱水制氢。该技术是一种成熟且商业化应用最广泛的电解水制氢技术。电解碱水制氢设备由电解液、阳阴极和膈膜等组成。碱性电解槽通常采用KOH溶液(20～30%)作为电解液,在电解水制氢中碱液不消耗,只起到离子输送作用。电解碱水制氢技术是最早研发、技术最成熟的电解水制氢技术,具有操作简单和成本低的优点。

碱性电解槽工作温度通常为40～80℃,电解槽中电解液的电导率随着温度的升高而升高。因冷态启动时电解液处于常温,其电阻值较大,而电解槽的电压一定,这样电流和产氢量较小。随着通电时间的增长,碱液温度随之升高,碱液导电率越来越高,产氢量也会逐渐提高。碱水电解槽可在20～110%变负荷运行,冷态启动2～3h,热启动15min。为解决电解碱水制氢设备的变工况运行能力问题,通常是对其热备用,保持电解槽内碱液在一定温度下,以便及时热启动制氢。

2、质子膜电解水制氢技术。质子交换膜(PEM)电解槽组成部分包括阴阳极和膜电极,膜电极由2块气体扩散层、1张喷涂有阴阳极催化层的质子交换膜组成。端板起导电及传递水气作用,阳极以Ti材料为主,阴极可采用石墨、Ti和不锈钢等材料；扩散层用于促进气液传质作用,通常由导电的多孔材料构成；催化层是催化剂、扩散层和质子交换膜三相的交界面；质子交换膜可阻止电子传递及氧气与氢气的接触,同时又能将质子从阳极传递到阴极。

PEM电解水制氢装置在工作中,水作为电解原料从阳极极板流道进入,经扩散层在一定电压和阳极催化剂作用下析氧,产生的氧气通过扩散层又回到阳极端板的流道被水带出。阳极反应产生的氢离子在水携带下通过质子交换膜转移到阴极,在阴极催化剂作用下析氢,产生的氢气和携带的水通过扩散层进入阴极流道排出。阴阳极的催化剂分别负载在质子交换膜两侧,与两片扩散层形成PEM电解池的核心部件,即膜电极。

3、高温固体氧化物电解水制氢。其发展始于20世纪70年代的美国GE公司和Brookhaven国家实验室，以及之后的德国Dornier公司。由于工作在高温条件(1000℃),部分能量可由热能提供,因此效率高。在考虑余热利用情况下,其效率可达90%。但1000℃的高温对材料提出了很高要求,目前高温固体氧化物电解水制氢基本还处于实验室研究阶段。

二、新能源制氢技术

1、风电制氢。该技术是将风资源通过风力发电机转化成电能,电能供给电解水制氢设备产生氢气,通过将氢气压缩、存储、输送至用户端,完成从风能到氢能的转化。根据风电与网电连接形式的不同,可将风电制氢技术分为并网型风电制氢、离网型风电制氢、并网不上网型风电制氢三种类型。并网型风电制氢是将风电机组接入电网,从电网取电的制氢方式,如从风场35 kV或220 kV电网侧取电,进行电解水制氢,主要应用于大规模风电场的弃风消纳和储能。离网型风电制氢是将单台风机或多台风机所发的电能,不经过电网直接提供给电解水制氢设备进行制氢,主要应用于分布式制氢或局部应用于燃料电池发电供能。并网不上网型风电制氢是将风电与电网相连,但风电不上网,仅从电网下电满足制氢的用电需求。

风电制氢技术主要涉及制氢和输氢两大关键技术,整个技术模块包括风力发电机、电解水制氢系统、氢气压缩系统、储氢系统和氢气输运系统。根据风场风电的拓扑结构,按控制需求可从35 kV或220 kV电网处取电,经AC/DC转化后,进行电解水制氢,所制的氢气先储存在中压储氢罐中,然后通过20 MPa氢气压缩机充灌到氢气管束车,根据用氢需求进行输送。

由于风力发电具有间歇性和波动性的特点,电解水制氢装置必须能适应风力发电的特性及时调整负荷,变工况运行。电解槽间歇运行时会出现以下不利情况：①电解碱水制氢电解槽难以快速启停,产氢的速度也难以快速调节；②电解池的阴阳极两侧上压力均衡难以维持,易发生氢、氧气体穿过多孔的隔膜进而混合,易引起爆炸；③电解槽将工作温度提高到额定运行温度需要一定时间,而间歇式运行导致电解槽长时间运行在低于额定温度的工作环境下,电解效率降低。因此,应尽可能减少或避免电解槽出现间歇式运行情况,以确保其能高效稳定安全制氢。可在风电出力不足时向电网购电,确保电解槽的稳定运行。但不具备外购电条件或外购电的经济性不好时,电解制氢系统对间歇性、波动性供电电源的适应能力至关重要。

碱性电解槽目前主要存在以下问题：工作负荷范围小和电流密度小。虽然目前PEM电解水技术由于设备成本较高,在应用上无碱性电解广泛,但PEM电解池更紧凑,其宽负荷适应性和较快的响应速度更适用于匹配可再生电源。

2、光伏制氢。光伏发电是光产生的伏特效应,通过光伏元件将太阳能直接转化为电能。先在硅单质中掺入不同特性的半导体材料,因此硅内部会产生多余的自由电子或空穴。如将五价磷原子掺入硅中会形成N型半导体材料,此时半导体内部会出现多余的自由电子；如将三价的磷原子掺入硅中会形成P型半导体,此时半导体内部会形成多余空穴。掺入杂元素的硅仍为电中性,将一片硅片的两面分别掺入不同杂元素则形成PN结。PN结中的自由电子和空穴数量不同,由于扩散的效果PN结内部会形成电势差。当光照射到半导体时,半导体内部电子和空穴会发生定向移动。因此,PN结两表面会形成电势差,外电路会产生电流。

光伏电解水制氢系统中光伏板与水电解槽间的连接方式为：一种可称为间接连接,另一种称为直接连接。

1)间接连接。目前大多数光伏发电制氢系统采用间接连接方式,整套系统由光伏阵列、最大功率点跟踪(MPPT)控制器、蓄电池、DC/DC转换器、电解槽组成,这种连接方式使光伏阵列所产生的电量为蓄电池吸收,然后通过DC/DC转换器平稳释放。而在光伏发电系统中,光伏阵列只有工作在最大功率点附近,才能使系统获得最大的能量输出。MPPT控制器使光伏阵列始终工作在最大功率点附近,保证光伏阵列始终在高转换效率下工作。光伏阵列发出的电能随光照强度和环境温度变化存在较大波动,不断变化的电流对电解槽性能会产生较大影响,为了削弱这种影响,采用蓄电池进行缓冲储能。DC/DC转换器可用来调节输出电压和电流,使其满足电解槽正常运行需要。

间接连接还有一种方式就是光伏阵列输出的直流电经逆变器转换为交流电,然后以交流电方式输送至电解槽用电侧，其适用于远距离输送,避免了光伏低压直流电远距离输送的电损耗。

2)直接连接。它是指将光伏阵列输出的直流电直接通入电解槽,省去最大功率跟踪等设备,这种系统要求光伏阵列与电解槽的性能曲线有较好的匹配,以使系统高效、经济。光伏阵列与电解槽直接连接方式省去了MPPT控制器、蓄电池、DC/DC转换器,系统更为简单。然而,直接连接系统中,光伏阵列的输出电压和电流无法调节,若光伏阵列最大功率点的输出电压、电流与电解槽的工作电压、电流不能很好的匹配,将会使光伏阵列在偏离最大功率点的地方运行,导致光伏电池的转换效率降低,从而使系统效率下降。因此,直接连接系统中,光伏阵列与电解槽的合理匹配是难点。另外,直接连接系统中无蓄电池、DC/DC转换器等调节装置,这也对电解槽的宽功率适应性提出了更高要求。

参考文献：

[1]严正.含风电制氢装置的综合能源系统优化运行[J].中国电力,2020(01).

[2]罗扬.绿色氢能技术发展现状与趋势[J].分布式能源，2021(02).