寧 楠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

水電解制氫裝置寬功率波動(dòng)適應(yīng)性研究

寧 楠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

隨著風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)風(fēng)能源的轉(zhuǎn)化有了迫切需求，對(duì)能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的風(fēng)電波動(dòng)性適應(yīng)提出了更高要求。氫氣作為清潔的“新能源”成為消化棄風(fēng)的最佳選擇。利用調(diào)整各工藝參數(shù)的方法，研究傳統(tǒng)水電解制氫裝置在風(fēng)電寬功率波動(dòng)條件下的適應(yīng)性，并探索相關(guān)解決方法。為水電解制氫裝置的進(jìn)一步改進(jìn)提供支持，為微電網(wǎng)風(fēng)電耦合制氫及氫能綜合利用提供理論依據(jù)。

風(fēng)電；水電解制氫；寬功率波動(dòng)

0 引 言

近年來(lái)，風(fēng)電在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展，但與此同時(shí)，越來(lái)越多的困難正困擾著風(fēng)力發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)公司，概括起來(lái)可歸結(jié)為兩點(diǎn)：1）不均勻的風(fēng)力資源分布特征造成若干大型風(fēng)電場(chǎng)聚集于某些區(qū)域，集中的大量風(fēng)電都需要電網(wǎng)向外輸送，使得原有輸送電網(wǎng)通道不堪重負(fù)，大部分風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量受到限制，造成嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。在加快推進(jìn)電網(wǎng)輸送能力建設(shè)的同時(shí)，積極探索風(fēng)電結(jié)合其他能源轉(zhuǎn)換利用技術(shù)以提高風(fēng)電場(chǎng)能源利用效率亦具有重要意義；2）隨著風(fēng)電規(guī)模的逐漸增大，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性特征正在給電網(wǎng)安全性帶來(lái)越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。如何利用經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化風(fēng)電品質(zhì)已成為了全球能源領(lǐng)域一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題[1 – 3]。

氫氣作為一種新型能源受到人們的普遍關(guān)注。許多專(zhuān)家認(rèn)為，未來(lái)除了電以外，起重要作用的一種二次能源載體將是氫氣[4]。氫氣具有許多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被譽(yù)為清潔的“新能源”。總體來(lái)說(shuō)，氫能具有來(lái)源多樣性、潔凈環(huán)保、可存儲(chǔ)和可再生等特點(diǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，是極具潛力的能源載體[5]。

電解水制氫系統(tǒng)能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔苻D(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，以備需要時(shí)作為燃料使用或通過(guò)燃料電池重新轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用。若能解決電解制氫系統(tǒng)與風(fēng)電的匹配問(wèn)題，將為日后大規(guī)模風(fēng)電制氫推廣應(yīng)用積累多方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，具有重要意義。

1 水電解制氫原理

水存在下面的電離平衡：

將1對(duì)電極插入水中，通以電流，氫離子逐漸向陰極移動(dòng)，在陰極上取得電子被還原為H2。Na+或K+離子在電解液的濃度下，其析出電位要比氫析出電位負(fù)得多，因此陰極上H+先放電，析出氫；OH–逐漸移向陽(yáng)極，陽(yáng)極失去電子而被氧化為O2（見(jiàn)圖1）。

純水是極弱的電解質(zhì)，H+及OH–離子濃度極少，在25 ℃時(shí)，[H+]=1×10–7M；[OH–]=1×10–7M。所以純水幾乎不導(dǎo)電。所以在水電解時(shí)必須加入其他的強(qiáng)電解質(zhì)，以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。此時(shí)：

陰 極：4H2O+4e→2H2↑+4OH–，

陽(yáng) 極：4OH––4e→2H2O+O2↑，

總反應(yīng)：2H2O→2H2↑+O2↑[6]。

2 電解制氫系統(tǒng)寬功率波動(dòng)耐受性研究

風(fēng)能作為一種可再生能源，不確定性因素極多，1臺(tái)風(fēng)機(jī)一天內(nèi)的功率輸出波動(dòng)范圍非常大，因此就要求制氫系統(tǒng)的功率耐受范圍盡量達(dá)到20%～100%，從而能夠盡可能多的利用風(fēng)能。制氫系統(tǒng)功率波動(dòng)會(huì)對(duì)制氫裝置產(chǎn)生一定影響，影響主要有2個(gè)方面：一是大幅波動(dòng)對(duì)裝備的壽命影響；二是對(duì)產(chǎn)品氣體純度暨系統(tǒng)安全性的影響。本課題主要從安全性角度出發(fā)進(jìn)行討論。

由圖1可見(jiàn)，電解制氫系統(tǒng)工作過(guò)程中，陰極和陽(yáng)極之間設(shè)置具有隔氣透水功能的隔膜布，在保證陰陽(yáng)極之間電解液交換的同時(shí)還能保證將絕大部分氫氣和氧氣互相隔絕，防止相互混合。

由于仍有少量的氫氣和氧氣滲透過(guò)隔膜，因此在水電解制氫裝置中設(shè)有氧中氫純度分析儀和氫中氧分析儀，鑒于氫氣在氧氣中的爆炸極限為4%～95%[7]，其監(jiān)測(cè)范圍為0%～2%，當(dāng)超出設(shè)定范圍時(shí)，制氫系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)保護(hù)停機(jī)?；谒娊庵茪溲b置本身特性及氫氣滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，氫中氧純度普遍優(yōu)于氧中氫純度，因此行業(yè)內(nèi)使用氧中氫純度作為衡量電解系統(tǒng)安全性最重要的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)使用KZDQ-20/3.2系列水電解制氫裝置，該系統(tǒng)氧中氫純度出廠(chǎng)指標(biāo)要求為：≤1.5%[8]；該系統(tǒng)在額定工作狀況下，氧中氫純度穩(wěn)定在1.05%左右（見(jiàn)圖2）。

2.1 波動(dòng)性實(shí)驗(yàn)對(duì)氧中氫純度的影響

在圖2基礎(chǔ)上，逐步降低制氫系統(tǒng)功率，并觀(guān)察氧中氫純度變化：

1）在不改變其他工藝參數(shù)前提下，將制氫系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)至額定功率的75%，并對(duì)產(chǎn)品氧氣的氧中氫含量進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖3）。

氧中氫純度在1 h內(nèi)，隨功率降低下降了約0.35個(gè)百分點(diǎn)，在隨后的4 h內(nèi)趨于穩(wěn)定。

2）在不改變其他工藝參數(shù)前提下，將制氫系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)至額定功率的50%，并對(duì)產(chǎn)品氧氣的氧中氫含量進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖4）。

氧中氫純度隨功率降低下降至約2%，達(dá)到了制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行的上限設(shè)置值。

結(jié)合上述2次測(cè)試結(jié)果：寬功率波動(dòng)直接實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著制氫系統(tǒng)功率下降，產(chǎn)品氧氣中的氫氣含量持續(xù)上升，在較低功率條件下不能夠保證制氫系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，需要通過(guò)調(diào)整其他工藝參數(shù)，配合功率降低，來(lái)保證制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.2 工作溫度對(duì)氧中氫濃度的影響

在圖2和圖3的條件下，探索電解制氫系統(tǒng)工作溫度對(duì)安全性的影響：

1）在不改變其他工藝參數(shù)前提下滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行制氫系統(tǒng)，將制氫系統(tǒng)工作溫度在額定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并對(duì)產(chǎn)品氧氣的氧中氫含量進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖5）。

2）將制氫系統(tǒng)負(fù)荷降低至額定功率的75%，在不改變其他工藝參數(shù)前提下，將制氫系統(tǒng)工作溫度在額定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并對(duì)產(chǎn)品氧氣的氧中氫含量進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖6）。

結(jié)合2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果：氧中氫純度隨工作溫度的上升雖略有上升，但是升溫10 ℃對(duì)氫中氧純度的影響在0.02%以下，可以判斷工作溫度不是影響純度的主要原因。

2.3 電解液循環(huán)量對(duì)氧中氫濃度的影響

水電解制氫系統(tǒng)中的電解液，需要不斷在氫/氧分離器及電解槽之間進(jìn)行循環(huán)，起到向電解槽中補(bǔ)充電解液、帶出產(chǎn)品氣體、冷卻電解槽等作用。

KZDQ-20/3.2型水電解制氫裝置額定電解液循環(huán)量為1.8 m3/h[8]，在不改變其他工藝參數(shù)前提下，將制氫系統(tǒng)功率及電解液循環(huán)量分別同時(shí)調(diào)節(jié)至額定值的75%和50%，并對(duì)產(chǎn)品氧氣的氧中氫含量進(jìn)行監(jiān)控（見(jiàn)圖7和圖8）。

可見(jiàn)，在將電解液循環(huán)量與系統(tǒng)功率同比調(diào)節(jié)下，氧中氫純度能夠穩(wěn)定在1%左右。較2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中氧中氫純度有明顯提高，并且與水電解制氫系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)品氧氣的指標(biāo)相當(dāng)。

3 連續(xù)寬功率波動(dòng)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)2.3節(jié)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)電源輸入給定功率值來(lái)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率隨風(fēng)速大小發(fā)生變化時(shí)的工況，以此進(jìn)行寬范圍內(nèi)波動(dòng)實(shí)驗(yàn)，功率最低時(shí)降至20%額定功率運(yùn)行，詳細(xì)功率波動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見(jiàn)，在涵蓋了20%～100%負(fù)荷下的寬功率波動(dòng)條件下運(yùn)行水電解制氫系統(tǒng)，根據(jù)功率波動(dòng)情況同步調(diào)整電解液循環(huán)量，產(chǎn)品氧氣中的氫氣含量始終穩(wěn)定在1.04%～1.10%之間，能夠滿(mǎn)足水電解制氫系統(tǒng)的出廠(chǎng)指標(biāo)。有效地解決寬功率波動(dòng)條件對(duì)產(chǎn)品氣純度的影響，滿(mǎn)足了寬功率波動(dòng)條件下對(duì)制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。

表1 功率波動(dòng)耐受度數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Data under power fluctuation

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合風(fēng)電特性對(duì)負(fù)載側(cè)的要求，對(duì)水電解制氫系統(tǒng)的寬功率波動(dòng)適應(yīng)性開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變工作溫度、電解液循環(huán)量等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，找到了復(fù)雜功率波動(dòng)工況下保證水電解制氫系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)途徑。為水電解制氫裝置工藝的進(jìn)一步改進(jìn)及自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高提供了有力支持，為微電網(wǎng)風(fēng)電耦合制氫及氫能綜合利用提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]段樹(shù)華. 應(yīng)用于船舶的自動(dòng)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究[J]. 北京: 艦船科學(xué)技術(shù), 2016, 38(2): 40–42.

[2]吝子?xùn)|. 水電解制氫技術(shù)發(fā)展前景[J]. 邯鄲: 艦船防化, 2014(2).

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[8]中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所. KZDQ-20/3.2系列制氫裝置安裝使用說(shuō)明書(shū)[Z]. 2015.

Research on hydrogen generation system by water electrolysis under wide power fluctuation

NING Nan
(The 718 Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

With the wind power industry developed rapidly, there is an urgent demand for the power-to-gas system to fit its wide fluctuation. Hydrogen as a clean "new energy" has become the best choice for digestion the abandon wind. Research on Water Electrolysis Hydrogen Generation System under Wide Power Fluctuation by adjusting the process parameters. Support further improvement of water electrolysis hydrogen generation system. Provide a theoretical basis for the micro wind power-hydrogen generation system.

wind power；hydrogen generation system by water electrolysis；wide power fluctuation

TQ116.2

A

1672 – 7619(2017)06 – 0133 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.027

2017 – 04 – 24；

2017 – 05 – 05

寧楠(1982 – )，女，碩士，工程師，現(xiàn)從事科技綜合管理工作。