田江南，蔣 晶，羅 揚，馬 雄

(1.中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京市 西城區(qū) 100120；2.山西省第二地質工程地質隊檢測中心，山西省 侯馬市 043011；3.香港大學土木工程系，中國 香港 999077；4.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏自治區(qū) 銀川市 750011)

0 引言

中國政府在2020年巴黎氣候變化大會上承諾，中國將在2030年實現碳達峰，2050年實現碳中和。2019年氫能首次寫入《政府工作報告》，2020年發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書也指明了新時代氫能源發(fā)展方向。發(fā)展清潔和可再生的綠色能源已經成為我國能源革命的一項重要內容，目前氫能被普遍視為最理想的未來能源。在眾多制氫工藝路線中，保證整個工藝流程的脫碳非常重要?？稍偕茉窗l(fā)電制氫不僅意味著能夠徹底實現零碳排放，而且隨著可再生能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和工業(yè)化，制氫的成本也會下降。在不久的將來，氫能的應用會在經濟技術發(fā)展中占到重要的位置。

氫能作為一種清潔能源，有很多優(yōu)點。第一，地球上氫的豐度非常高，氫是水的組成元素，地球上75%左右的面積都是水域；第二，氫能的單位質量熱值高，是一種潛力很大的儲能介質；第三，氫能還是最環(huán)保的能源，其作為能源利用后只會產生水，不會排放其他污染物和二氧化碳。根據國外某咨詢公司估計，全球氫能市場規(guī)模到本世紀中葉將達到能源總需求的18%。

目前，氫氣的生產工藝有很多種，其中生產過程中伴有大量二氧化碳排放的氫，稱為“灰氫”。如果把二氧化碳捕集封存利用起來，不排放，那么灰氫就變成“藍氫”了。而用可再生能源發(fā)出的清潔電再電解水制氫，這個氫叫作“綠氫”。未來制氫工藝發(fā)展的基本方向是：灰氫不可取，藍氫可以用，廢氫可回收，綠氫是方向[1]。

國內外已經開展和即將開展的綠電制氫項目較多，由于章節(jié)限制僅列出幾個重點項目[2]。(1)英國蘇格蘭風氫能源辦公樓系統(tǒng)，2016年建成，系統(tǒng)組成：風電容量750 kW，電解槽容量30 kW，儲氫量11 kg，儲氫壓力1 200 kPa，燃料電池容量4 kW。(2)河北沽源風電聯合制氫示范項目，2019年試運行，系統(tǒng)包括容量200 MW的風機系統(tǒng)、耗電量10 MW的電解水制氫系統(tǒng)和氫氣綜合利用系統(tǒng)，氫氣年產能為1 752萬 m3。(3)日本福島氫能研究場，2020年建成，項目由東芝、東北電力、日本新能源和工業(yè)技術發(fā)展組織(NEDO)合作開發(fā)，安裝了10 MW電解槽設備，通過20 MW光伏陣列供電，并從電網接入了一路可再生能源電力作為備用電源。這套電解槽設備最多可制100 kg/h綠色氫氣。(4)寧夏寶豐能源太陽能電解水制氫儲能及綜合應用示范項目，該項目是目前國際頂級制氫儲能項目，預計建成后合計年產氫氣1.6億 m3，每年可減少煤炭資源消耗25.4萬 t、減少二氧化碳排放約44.5萬 t，項目一期于2020年4月開工。(5)亞洲可再生能源中心，位于澳大利亞皮爾巴拉，由16 GW陸上風能和10 GW太陽能為14 GW電解槽供電，預計年產氫氣175萬 t，計劃2027年投產。

上述案例包括風電制氫項目、光伏制氫項目、風電+光伏混合電源制氫項目，可見資本已進入新能源制氫領域，國內的綠色氫能業(yè)務也將面臨大發(fā)展[3]。本文就風電、光伏制氫技術展開論述。

1 電解水制氫技術

據統(tǒng)計數據顯示，全球制氫總量約保持在3 400 t/d，其中我國的制氫量約為1 320 t/d。從世界角度來看，96%以上的制氫原料都來自于化石原料的化學重整，其余基本來源于電解水制氫。氫氣可從多種途徑制備，制氫技術大多數較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。目前新型制氫技術主要包括生物法制氫、生物質熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術主要包括煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫等[4]。

“綠氫”制備過程中一個環(huán)節(jié)就是電解水制氫，電解水制氫目前主流的方向有3個，分別是電解堿水制氫技術、質子膜電解水制氫技術和高溫固體氧化物電解水制氫技術，下面主要對這3項技術展開介紹[5]。

1.1 電解堿水制氫

電解堿水制氫技術是一種最成熟的電解水制氫技術，也是目前商業(yè)化應用最廣泛的電解水制氫技術。早在20世紀初就已經研發(fā)出1 MW級別的大規(guī)模制氫設備了。電解堿水制氫設備主要由電解液、陽極、陰極和膈膜等組成，如圖1所示。堿性電解槽通常采用KOH溶液(20%～30%)作為電解液，在電解水制氫過程中堿液不消耗，只起到離子輸送的作用。電解堿水制氫技術是最早研發(fā)、技術最成熟的電解水制氫技術，具有操作簡單和成本低的優(yōu)點，其缺點是電解效率低、電源波動性適應性差、堿液有腐蝕性等[6-7]。

圖1 電解堿水制氫技術結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydrogen production technology by electrolytic alkali water

堿性電解槽工作溫度通常為40～80 ℃，電解槽中電解液的電導率隨著溫度的升高而升高。因冷態(tài)啟動時電解液處于常溫，其電阻值較大，而電解槽的電壓是一定的，這樣電流就較小，產氫量也較小。隨著通電時間的增長，堿液溫度隨之升高，堿液導電率越來越高，產氫量也就會逐漸提高。堿水電解槽可在20%～110%變負荷運行，冷態(tài)啟動2～3 h，熱啟動15 min。為了解決電解堿水制氫設備的變工況運行能力問題，通常采用的辦法是對其進行熱備用，保持電解槽內的堿液在一定的溫度下，以便及時熱啟動制氫。電解堿水制氫過程的化學方程式如下：

陰極反應：2e+2H2O=H2↑+2OH-

陽極反應：4OH-=2H2O+O2↑+4e

總反應式為：2H2O=2H2↑+O2↑

1.2 質子膜電解水制氫技術

質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫電解槽的基本結構如圖2所示，PEM電解槽的主要組成部分包括陰極、陽極和膜電極，其中膜電極由2塊氣體擴散層、1張噴涂有陰陽極催化層的質子交換膜組成。端板起到導電以及傳遞水、氣的作用，陽極以Ti材料為主，陰極可以采用石墨、Ti和不銹鋼等材料；擴散層主要用于促進氣液傳質的作用，通常由導電的多孔材料構成，比如，Ti網、Ni網等；催化層是催化劑、擴散層和質子交換膜三相的交界面；質子交換膜可以阻止電子傳遞以及氧氣與氫氣的接觸，同時又能將質子從陽極傳遞到陰極，目前應用最廣泛的Nafion膜是美國杜邦公司生產的。

圖2 PEM電解水制氫技術結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of PEM hydrogen production technology structure

PEM電解水制氫裝置在工作過程中，水作為電解的原料從陽極極板的流道進入，經過擴散層在一定電壓和陽極催化劑作用下析氧，產生的氧氣通過擴散層又回到陽極端板的流道被水帶出。陽極反應產生的氫離子在水的攜帶下通過質子交換膜轉移到陰極，在陰極催化劑的作用下析氫，產生的氫氣和攜帶過來的水通過擴散層進入陰極流道排出。陰陽極的催化劑分別負載在質子交換膜的兩側，與兩片擴散層形成了PEM電解池的核心部件，也就是膜電極。PEM電解水制氫主要包括以下化學反應過程：

陰極：2H++2e-=H2

陽極：2H2O-4e-=O2+4H+

總反應式為：2H2O=2H2↑+O2↑

1.3 高溫固體氧化物電解水制氫

高溫固體氧化物電解水制氫發(fā)展始于20世紀70年代的美國GE公司和Brookhaven國家實驗室以及之后的德國Dornier公司。由于工作在高溫條件(1 000 ℃)，部分能量可以由熱能提供，因此效率較高。在考慮余熱利用的情況下，其效率可達90%。但1 000 ℃的高溫對材料提出了很高要求，目前高溫固體氧化物電解水制氫基本還處于實驗室研究階段。其工作原理如圖3所示，高溫水蒸氣通過中心孔道，在陰極表面生成H2，O2-通過中間的高溫氧化物傳遞到陽極并失去電子形成O2。高溫固體氧化物電解水制氫主要包括以下電化學反應過程：

陰極：H2O+2e-=H2+O2-

陽極：2O2--4e-=O2

總反應式為：2H2O=2H2↑+O2↑

圖3 高溫固體氧化物電解水制氫技術結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of high temperature solid oxide electrolysis water for hydrogen production

綜上，以上3種電解水制氫技術的特點如表1所示。

2 新能源制氫技術

目前，由化石原料制氫具有較大的價格優(yōu)勢和大規(guī)模生產的優(yōu)勢，但是碳捕捉和收集技術還不夠成熟，化石燃料的使用將不可避免地帶來碳排放問題。而可再生能源(太陽能、風能等)發(fā)電電解制氫技術卻可以實現碳的零排放。隨著可再生能源的大規(guī)模應用和電解水制氫技術的不斷更新，新能源電解水制氫在不久的將來必然會成為具有競爭力的技術[8]。

可再生能源(風、光等)由于其固有的間歇性和波動性，導致風電、光電無法長期持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)電，對新能源發(fā)電機組的大規(guī)模并網發(fā)電帶來了難度，也出現了很多棄風棄光現象。

2017年水電、風電和光電總棄電量1 007億 kW·h。

表1 電解水制氫技術比較Table 1 Comparison of hydrogen production technologies by electrolysis of water

而當年全中國的社會用電量約為6.3萬億 kW·h。以75%的能量效率計算，這些棄電可產氫氣約259萬 t，約占全國氫氣產量的10%。根據國際能源署的預測，到2030年電解水制氫市場份額將從5%增長到30%，電解水制氫技術也會在未來的氫能經濟中占有重要的地位[9-10]。

2.1 風電制氫

風電制氫技術是將風資源通過風力發(fā)電機轉化成電能，電能供給電解水制氫設備產生氫氣，通過將氫氣壓縮、存儲、輸送至用戶端，完成從風能到氫能的轉化。根據風電與網電連接形式的不同，可以將風電制氫技術分為3種類型：(1)并網型風電制氫；(2)離網型風電制氫；(3)并網不上網型風電制氫。并網型風電制氫是將風電機組接入電網，從電網取電的制氫方式，比如從風場的35 kV或220 kV電網側取電，進行電解水制氫，主要應用于大規(guī)模風電場的棄風消納和儲能。離網型風電制氫是將單臺風機或多臺風機所發(fā)的電能，不經過電網直接提供給電解水制氫設備進行制氫，主要應用于分布式制氫或局部應用于燃料電池發(fā)電供能。并網不上網型風電制氫是將風電與電網相連，但是風電不上網，僅從電網下電滿足制氫的用電需求[9]。

風電制氫技術主要涉及制氫和輸氫兩大關鍵技術，整個技術模塊包括風力發(fā)電機、電解水制氫系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸運系統(tǒng)。根據風場風電的拓撲結構，按照控制需求可以從35 kV或220 kV電網處取電，經過AC/DC轉化后，進行電解水制氫，所制的氫氣先儲存在中壓儲氫罐中，然后，通過20 MPa氫氣壓縮機充灌到氫氣管束車，根據用氫需求進行輸送。

由于風力發(fā)電具有間歇性和波動性的特點，電解水制氫裝置必須能夠適應風力發(fā)電的特性及時調整負荷，變工況運行。電解槽間歇運行時會出現以下不利情況：(1)電解堿水制氫電解槽難以快速啟停，產氫的速度也難以快速調節(jié)；(2)電解池的陰陽極兩側上的壓力均衡難以維持，易發(fā)生氫、氧氣體穿過多孔的隔膜進而混合，易引起爆炸；(3)電解槽將工作溫度提高到額定運行溫度需要一定的時間，而間歇式運行導致電解槽長時間運行在低于額定溫度的工作環(huán)境下，電解效率降低。因此，應盡可能減少或避免電解槽出現間歇式運行情況，以確保其能夠高效穩(wěn)定安全制氫。可在風電出力不足時向電網購電，確保電解槽的穩(wěn)定運行。但不具備外購電條件或外購電的經濟性不好時，電解制氫系統(tǒng)對間歇性、波動性供電電源的適應能力至關重要。

堿性電解槽目前主要存在2個問題：工作負荷范圍小和電流密度小。雖然目前PEM電解水技術由于設備成本較高，在應用上沒有堿性電解那么廣泛，但PEM電解池更緊湊，其寬負荷適應性和較快的響應速度更適用于匹配可再生電源[11-12]。

2.2 光伏制氫

光伏發(fā)電的原理是光產生的伏特效應，通過光伏元件可將太陽能直接轉化為電能。首先在硅單質中摻入不同特性的半導體材料，因此硅內部會產生多余的自由電子或者空穴。如將五價磷原子摻入硅中則會形成N型半導體材料，此時半導體內部會出現多余的自由電子；如將三價的磷原子摻入硅中則會形成P型半導體，此時半導體內部會形成多余的空穴。經過摻入雜元素的硅仍為電中性，將一片硅片的兩面分別摻入不同的雜元素則形成PN結。PN結中的自由電子和空穴數量不同，由于擴散的效果PN結內部會形成電勢差。當光照射到半導體時，半導體內部的電子和空穴會發(fā)生定向移動(電子移向N，空穴移向P)。因此，PN結兩表面會形成電勢差，外電路就會產生電流。

光伏電解水制氫系統(tǒng)中光伏板與水電解槽之間的連接方式可以有兩種方式，一種可以稱之為間接連接，另一種稱之為直接連接。其中，間接連接系統(tǒng)主要由光伏組件、控制組件、蓄電池和氫儲能系統(tǒng)構成。

2.2.1 間接連接

目前大多數光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)采用間接連接方式，整套系統(tǒng)由光伏陣列、最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制器、蓄電池、DC/DC轉換器、電解槽組成，如圖4這種連接方式使得光伏陣列所產生的電量為蓄電池吸收，然后通過DC/DC轉換器平穩(wěn)釋放。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列只有工作在最大功率點附近，才能使系統(tǒng)獲得最大的能量輸出。MPPT控制器的作用是使光伏陣列始終工作在最大功率點附近，保證光伏陣列始終在高轉換效率下工作。光伏陣列發(fā)出的電能隨光照強度和環(huán)境溫度的變化存在較大的波動，不斷變化的電流對電解槽性能會產生較大影響，為了削弱這種影響，采用蓄電池進行緩沖儲能。DC/DC轉換器可用來調節(jié)輸出電壓和電流，使其滿足電解槽正常運行的需要。

圖4 光伏制氫間接連接方式Fig.4 Indirect connection mode of photovoltaic hydrogen production

間接連接還有一種方式就是光伏陣列輸出的直流電經過逆變器轉換為交流電，然后以交流電的方式輸送至電解槽用電側。這種方式可適用于遠距離輸送，避免了光伏低壓直流電遠距離輸送的電損耗[13-14]。

2.2.2 直接連接

圖5 光伏制氫直接耦合方式Fig.5 Direct coupling mode of photovoltaic hydrogen production

所謂直接連接方式是指將光伏陣列輸出的直流電直接通入電解槽，省去最大功率跟蹤等設備。如圖5所示，這種系統(tǒng)要求光伏陣列與電解槽的性能曲線有較好的匹配，以使系統(tǒng)高效、經濟。光伏陣列與電解槽直接連接方式與圖4中的連接方式相比，省去了MPPT控制器、蓄電池、DC/DC轉換器，使系統(tǒng)更為簡單。但是從圖5可看出，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列的輸出電壓和電流無法調節(jié)，若光伏陣列最大功率點的輸出電壓、電流與電解槽的工作電壓、電流不能很好的匹配，將會使光伏陣列在偏離最大功率點的地方運行，導致光伏電池的轉換效率降低，從而使系統(tǒng)效率下降。因此，直接連接系統(tǒng)中，光伏陣列與電解槽的合理匹配是難點。另外，直接連接系統(tǒng)中沒有蓄電池、DC/DC轉換器等調節(jié)裝置，這也對電解槽的寬功率適應性也提出了更高要求[15]。

3 結論

新能源制氫可改善大量棄風、棄光的問題，新能源制氫產生的氫氣作為一種清潔高效能源在當前具有很大的應用潛力。但是新能源制氫也存在一些問題待解決，文章給出以下建議：

(1) 風電、光伏電具有波動性、間歇性的特點，PEM電解槽的響應速度可達到毫秒級，PEM電解槽較堿水電解槽更適應電源的波動性，因此在制氫端建議采用PEM電解槽。

(2) PEM電解槽的高成本主要是因為其電極板涂層材料較昂貴，PEM電解槽雙極板的成本占電解槽總成本的51%以上，可通過研發(fā)新型材料的方式降低PEM電解槽的造價。

(3) 若新能源制氫采用堿水電解槽，可利用配置蓄電池、并網不上網等方式穩(wěn)定電解槽的輸入電壓，保證電解槽的安全穩(wěn)定運行。