顏祥洲(湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

國(guó)內(nèi)電解水生產(chǎn)氫氣技術(shù)以氫源供給來(lái)看所占的比例并不是很高，電力成本與關(guān)鍵部件的開發(fā)，為造成其能耗不低、約束其進(jìn)步的關(guān)鍵。研究人員給出多種途徑來(lái)處理以上問(wèn)題，如通過(guò)對(duì)電力的使用，進(jìn)而處理電力成本問(wèn)題，找出性能更為優(yōu)異的析氫催化劑，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的降低，總結(jié)了很多的經(jīng)驗(yàn)且獲得了較大成果?；趯?duì)低碳能源以及推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的考慮，應(yīng)該把以下領(lǐng)域融合討論，一起推進(jìn)。

1 電解水制氫技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)氫氣方面，電解水制氫屬于非常重要的技術(shù)措施，由電能來(lái)供應(yīng)能量，促使水分子出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生H2以及O2。對(duì)于水分解反應(yīng)來(lái)講，通?？梢詫⑵浞殖蓛蓚€(gè)部分，也就是陰極析氫以及陽(yáng)極析氧。按照電解質(zhì)的差異，目前可把該項(xiàng)技術(shù)分成以下幾類：第一類為堿性電解水制氫，用AWE來(lái)表示；第二類為質(zhì)子交換膜電解水制造氫氣，用PEM來(lái)表征；第三類為固體氧化物電解水制氫，用SOEC來(lái)代表[1]。參數(shù)比較如表1所示。其中AWE是最為成熟的，存在著諸多的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)安全、生產(chǎn)費(fèi)用不昂貴、易于進(jìn)行操作等，不過(guò)它的電解效率不高，通常介于60%至75%之間；PEM也有著多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)沒污染、轉(zhuǎn)換效率理想及結(jié)構(gòu)較為緊湊，不過(guò)它所需成本較高，所以沒有達(dá)到大規(guī)模運(yùn)用；SOEC由于有著很高運(yùn)行溫度，通常處于600～1 000 ℃的范圍，故而有著較為理想的轉(zhuǎn)化效率，不過(guò)高溫約束了材料選取，還處在研究環(huán)節(jié)。

表1 電解水制氫技術(shù)參數(shù)比較

2 電解水制氫催化劑

2.1 過(guò)渡金屬基電催化劑

到目前為止，探索便宜、儲(chǔ)量充足以及活性理想的電催化劑，為科學(xué)研究的關(guān)鍵所在。對(duì)于過(guò)渡金屬基電催化劑來(lái)講，它有著非常理想的催化性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貴金屬的取代。把一些相關(guān)的過(guò)渡金屬(如鐵元素)同相關(guān)的非金屬元素(如：O、S及N)復(fù)合，可提升催化性能，同時(shí)獲得了不錯(cuò)的發(fā)展。

2.2 單原子催化劑(SACs)

何謂單原子催化劑(用SACs來(lái)表示)，一般就是基于活性金屬，通過(guò)原子形式進(jìn)而產(chǎn)生的催化劑，在和載體進(jìn)行融合之后會(huì)產(chǎn)生電子形態(tài)，所以無(wú)論是催化活性還是原子使用率，都是較為理想的。通過(guò)SACs有助于更好解釋催化劑的構(gòu)效關(guān)系，并且在多相以及均相催化方面起到了橋梁的作用。Pt的吸附自由能同零相接近，所以是比較科學(xué)的催化劑。不過(guò)昂貴的生產(chǎn)成本以及較少的儲(chǔ)量，約束了Pt的商業(yè)運(yùn)用。處理以上問(wèn)題有著以下思路：首先，對(duì)非貴金屬催化劑進(jìn)行開發(fā)；其次，通過(guò)提升Pt使用率，進(jìn)一步來(lái)提升Pt原子的消耗。SACs的出現(xiàn)可以更好使用金屬，同時(shí)節(jié)省成本，向HER的開發(fā)提供了思路。SACs的合成策略一般包含缺陷工程以及空間限域等[1]。

3 驅(qū)動(dòng)電解水制氫

3.1 氫能源技術(shù)路線比較

基于天然氣重整制氫技術(shù)來(lái)看，它的發(fā)展是比較快的，但是其制氫成本也會(huì)被天然氣價(jià)格所影響。在2018年時(shí)，中國(guó)發(fā)展成最大的天然氣進(jìn)口國(guó)。就天然氣來(lái)說(shuō)，它的對(duì)外依存度是比較高的，在國(guó)際環(huán)境越來(lái)越緊張的情況下，貿(mào)易摩擦逐漸加劇，隨著新冠疫情傳播，還有我國(guó)多煤炭、少石油及天然氣的特點(diǎn)，促進(jìn)天然氣制氫技術(shù)的發(fā)展，還應(yīng)進(jìn)一步探討。

我國(guó)在煤化工產(chǎn)業(yè)上獲得了較快發(fā)展，這也促使煤制氫技術(shù)逐漸比較完善，還能開展大規(guī)模制氫作業(yè)，然而實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，會(huì)釋放大量二氧化碳，還應(yīng)與碳捕集封存技術(shù)融合運(yùn)用，該項(xiàng)技術(shù)也可叫做CCS?，F(xiàn)階段CCS技術(shù)還在持續(xù)探索中，應(yīng)促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的研究發(fā)展，全面減少能耗及成本，在后續(xù)發(fā)展中，應(yīng)將該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)成大規(guī)模制氫的途徑，以減少生產(chǎn)成本[2]。

借助低碳電力驅(qū)動(dòng)方式，來(lái)開展電解水制氫，通常是借助可再生能源發(fā)電，對(duì)電催化水分解形成的氫氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在這之中的電力涉及風(fēng)電及光伏等。針對(duì)可再生能源發(fā)展來(lái)看，能源儲(chǔ)備是比較大的，在開發(fā)力度上也處在中上水平，結(jié)合國(guó)際能源署相關(guān)報(bào)告得知，在2020年，我國(guó)能源裝機(jī)容量就達(dá)到了全球的50%，雖然政府對(duì)風(fēng)能及太陽(yáng)能項(xiàng)目沒有過(guò)多補(bǔ)貼，但在后續(xù)發(fā)展中，我國(guó)的可再生能源獲得了持續(xù)增產(chǎn)，上升了50%以上，遠(yuǎn)超了過(guò)去幾年的水平，這也同我國(guó)2060年“碳中和”的目標(biāo)一致。

3.2 電力制氫問(wèn)題

利用可再生能源開展制氫作業(yè)，有利于促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展，是行之有效的方式，但還是有著一系列的問(wèn)題及挑戰(zhàn)。第一，發(fā)電過(guò)程中存在的問(wèn)題。針對(duì)可再生能源而言，它極易被季節(jié)及氣候因素影響，導(dǎo)致出現(xiàn)間歇及隨機(jī)等問(wèn)題。第二，制氫成本方面的問(wèn)題。基于技術(shù)的逐漸成熟，還有供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，在原來(lái)的發(fā)展中，發(fā)電成本越來(lái)越小，然而相較于化石燃料發(fā)電，還應(yīng)進(jìn)一步分析，想要有效增強(qiáng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，需要對(duì)能源消納問(wèn)題加以重視，這會(huì)對(duì)制氫成本產(chǎn)生較大的影響。第三，發(fā)電并網(wǎng)存在的問(wèn)題。就我國(guó)的能源資源分布來(lái)看，基本上都位于西部地區(qū)，但對(duì)電力的使用，通常是在東部及南部地區(qū)比較大，怎樣實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、輸送及消納之間的協(xié)調(diào)，這是現(xiàn)階段亟需解決的難題。第四，電力制氫應(yīng)用上存在的問(wèn)題。針對(duì)風(fēng)力及光伏資源來(lái)看，我國(guó)有著非常大的儲(chǔ)量。但是對(duì)于棄光地區(qū)而言，他們并非急需地區(qū)，這就會(huì)出現(xiàn)氫氣運(yùn)輸方面的問(wèn)題，怎樣達(dá)到安全可靠運(yùn)輸，全面減少運(yùn)輸氫氣的成本，并科學(xué)應(yīng)用氫氣，這是氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)該重視的問(wèn)題。

3.3 電力制氫優(yōu)勢(shì)

第一，能夠很好地解決發(fā)電運(yùn)行中存在的問(wèn)題。一系列棄風(fēng)等行為造成的棄電，這是有效促進(jìn)電解水制氫技術(shù)的動(dòng)力，基于可再生資源儲(chǔ)備而言，針對(duì)資源較多的地區(qū)，可為其配備相應(yīng)的電解槽制氫裝置，從而更好地處理發(fā)電運(yùn)行中的一系列問(wèn)題，促進(jìn)環(huán)保措施的有效運(yùn)用。第二，科學(xué)消納可再生能源。想要制造低成本氫，需要獲得低成本電力的支持，如此才能實(shí)現(xiàn)電解槽長(zhǎng)期運(yùn)行。伴隨太陽(yáng)能和風(fēng)力的開發(fā)，其發(fā)電成本越來(lái)越低，在日后發(fā)展中，可再生能源平價(jià)發(fā)展，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)電力制氫奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。第三，達(dá)到能源有效利用。根據(jù)成本及環(huán)保方面來(lái)看，借助可再生能源開展電解水制氫，不但能夠促進(jìn)氫能低成本發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，還能更好地處理碳排放問(wèn)題，促進(jìn)清潔能源合理應(yīng)用[3]。

4 光伏發(fā)電制氫

4.1 利用太陽(yáng)能的制氫技術(shù)

伴隨人們對(duì)氫能需求的越來(lái)越多，借助水作為原料，借助太陽(yáng)能制氫是目前世界各國(guó)的一致目標(biāo)。借助太陽(yáng)能制氫的方式是非常多的，如光電化學(xué)分解水制氫等。在這之中，光伏發(fā)電制氫獲得了較快的發(fā)展。

現(xiàn)階段，借助光伏發(fā)電制氫，主要是利用太陽(yáng)能光伏板，將其同電解槽實(shí)行連接，并劃分成兩個(gè)系統(tǒng)，一種是間接連接，另一種是直接耦合。針對(duì)間接系統(tǒng)來(lái)看，它是現(xiàn)階段運(yùn)用比較廣泛的方式，其中涉及的部件有蓄電池及電解槽等。該設(shè)計(jì)方式主要是借助蓄電池能以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)化器，來(lái)完成電壓及電流的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電解槽的相關(guān)要求。這一系統(tǒng)能夠全面實(shí)現(xiàn)電解槽性能，確保其安全運(yùn)行；不足之處是轉(zhuǎn)化器等設(shè)備的使用，在一定程度上提高了系統(tǒng)成本，在這一過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生電能傳遞損失，從而減小系統(tǒng)效率。就直接耦合系統(tǒng)而言，一般是利用光伏陣列同電解槽的有效配合，在這一系統(tǒng)中，可以不用蓄電池等設(shè)備，好處是該系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，極大降低了故障出現(xiàn)的幾率，從而減少相關(guān)的維修成本。結(jié)合有關(guān)研究顯示，應(yīng)根據(jù)該地區(qū)氣候及日照等條件，科學(xué)設(shè)計(jì)光伏陣列等構(gòu)成，相較于傳統(tǒng)的間接連接，這種直接的耦合連接可以進(jìn)一步增強(qiáng)制氫效率。

基于光伏發(fā)電制氫來(lái)看，其優(yōu)點(diǎn)包含下述幾點(diǎn)：第一，光伏發(fā)電存在一定的隨機(jī)性及階段性等特征，可以把光能及電能結(jié)合起來(lái)，通過(guò)電解水制氫技術(shù)完成，促進(jìn)能量的科學(xué)使用，并將能量?jī)?chǔ)存了起來(lái)，是科學(xué)處理該問(wèn)題的重要手段。第二，就光伏發(fā)電制氫來(lái)看，這項(xiàng)工藝的操作較為簡(jiǎn)單，并且相關(guān)的運(yùn)維難度也很低，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際需要，開展模塊化組合，針對(duì)分布式能源而言，在后續(xù)發(fā)展中，應(yīng)注重供應(yīng)燃料電池的研發(fā)，這是促進(jìn)能源有效運(yùn)用的關(guān)鍵措施。第三，光伏發(fā)電對(duì)于可再生能源發(fā)展具有關(guān)鍵性的作用，電解水制氫能夠促進(jìn)清潔能源的開發(fā)及利用，是行之有效的措施。將兩者有機(jī)融合，能夠更好地滿足國(guó)家綠色能源的發(fā)展要求，滿足全球能源發(fā)展及環(huán)境治理的需要。

4.2 問(wèn)題與建議

在光伏發(fā)電過(guò)程中，最重要的就是電網(wǎng)問(wèn)題，由于自身電力缺乏穩(wěn)定性，若是不借助電網(wǎng)開展，將很難達(dá)到這一應(yīng)用要求。由此可知，電網(wǎng)配套問(wèn)題對(duì)光伏發(fā)電發(fā)展有著較大的影響，借助間接及直接耦合方式，實(shí)現(xiàn)電解水制氫，還應(yīng)進(jìn)一步評(píng)價(jià)。我國(guó)在光伏新增規(guī)模上獲得了較大的發(fā)展，然而其核心技術(shù)是從國(guó)外引入的，這對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，不利于光伏制氫技術(shù)的發(fā)展。因?yàn)楸镜貐^(qū)存在較大的棄光棄電問(wèn)題，現(xiàn)階段光伏發(fā)展應(yīng)轉(zhuǎn)移至中東部，這也使得集中式裝機(jī)獲得了較快的發(fā)展，怎樣促進(jìn)光伏制氫技術(shù)進(jìn)步，是應(yīng)該研究的問(wèn)題。針對(duì)上網(wǎng)成本問(wèn)題，基于光伏補(bǔ)貼政策的減少，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)光伏發(fā)電制氫有著關(guān)鍵性的作用，針對(duì)光照資源較好的地區(qū)，可擴(kuò)大發(fā)展規(guī)模，發(fā)揮示范作用。就核心技術(shù)問(wèn)題來(lái)看，應(yīng)提高光伏及氫能技術(shù)的研究力度，加大相關(guān)的投入，借助目前的示范項(xiàng)目開展技術(shù)攻關(guān)，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

5 風(fēng)力發(fā)電制氫

5.1 利用自然風(fēng)能的制氫技術(shù)

就風(fēng)力發(fā)電制氫來(lái)看，一般是借助風(fēng)力驅(qū)動(dòng)形成電能，通過(guò)電解水來(lái)制氫，再把它運(yùn)送到應(yīng)用終端。該項(xiàng)技術(shù)包含兩種類型，依次是并網(wǎng)型及離網(wǎng)型。針對(duì)并網(wǎng)型而言，主要是借助風(fēng)電機(jī)組，將其與電網(wǎng)相連，借助電網(wǎng)電力，開展電解水制氫，大部分都運(yùn)用在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)；針對(duì)離網(wǎng)型來(lái)看，一般是借助風(fēng)電機(jī)組形成電能，然后利用電解水制氫裝置，并不用電網(wǎng)分配，大部分都會(huì)運(yùn)用在分布式制氫技術(shù)中。

5.2 存在的問(wèn)題與建議

針對(duì)技術(shù)問(wèn)題來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)在電能方面的要求非常高，但風(fēng)電卻有著很大的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)反復(fù)波動(dòng)，不利于制氫設(shè)備合理使用，對(duì)電能合理匹配產(chǎn)生了較大影響。在運(yùn)用方面，現(xiàn)階段的用氫單位大部分為化工企業(yè)，由于運(yùn)輸及存儲(chǔ)成本問(wèn)題，企業(yè)往往借助傳統(tǒng)制氫方式完成。在高純氫氣利用上，有著非常多的用戶，但其實(shí)際用量相對(duì)較小，氫燃料電池還在發(fā)展中，沒有大規(guī)模運(yùn)用的環(huán)境。應(yīng)致力于關(guān)鍵技術(shù)的研究。根據(jù)風(fēng)電間歇性等問(wèn)題，探討技術(shù)的突破，從而節(jié)省開發(fā)成本，增加技術(shù)效率，并提高質(zhì)子交換膜等技術(shù)的投入，從而達(dá)到生產(chǎn)要求。促進(jìn)海上風(fēng)電制氫的研究?，F(xiàn)階段都是借助并網(wǎng)型方式，由于輸電線路容量，風(fēng)電場(chǎng)同氫氣用戶之間的距離比較近，根據(jù)區(qū)域角度，需求較大的企業(yè)大部分都位于沿海地區(qū)，可開展海上風(fēng)電項(xiàng)目，從而解決電力及氫能運(yùn)輸方面的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

也能持續(xù)促進(jìn)電解水制氫的研究，是有效落實(shí)低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施，有利于更好地解決我國(guó)依賴化石能源的問(wèn)題，解決氫氣產(chǎn)能方面的問(wèn)題。就電解水制氫來(lái)看，應(yīng)持續(xù)完善制氫技術(shù)，最大程度地減少生產(chǎn)成本及能耗，增加生產(chǎn)效率。針對(duì)核心部件方面，如電解槽等，應(yīng)提高研發(fā)力度，從而更好地解決發(fā)展中的系列問(wèn)題，進(jìn)一步促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。