水 电 解 制 氢 技 术

王健

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

氢能是实现电力网、燃料网、热力网“三网”之间彼此衔接、清洁高效转化的重要纽带，在构建多种能源形式彼此互补的综合能源系统，打造清洁、低碳、高效、灵活的能源体系中发挥着重要作用。氢能产业链包括制取、储存、运输、加注、使用等核心环节。随着技术水平提高和规模化生产能够使整个氢能产业链的成本降低，从而促进氢能产业在中国的发展，助力国家“3060”双碳目标的实现。

依据国际氢能委员会公布，自2021年2月以来，在全球范围内宣布131个大型氢能开发项目启动。预估到2030年，全球氢能领域投资总额将达到5000亿美元。国际能源理事会预计，2050年在全球终端能源消费量中氢能的占比可达25%。跨界氢能合作是当前能源、化工、制造企业之间的热点；其中针对氢动力火车，氢燃料电池汽车、卡车，氢燃料船舶等交通工具的研发尤为重要。

2021年10月25日，国家发展改革委、工业和信息化部等部门《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》（发改产业〔2021〕1464号）中提出：到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁、电解铝、水泥、平板玻璃行业能效达到标杆水平的产能比例超过30%，行业整体能效水平明显提升，碳排放强度明显下降，绿色低碳发展能力显著增强［1］。图1为中国氢能流向图。

图1 中国氢能流向图（2019年数据）

1 氢的特性

氢的原子序数为1，是元素周期表中第一个、最小和最轻的元素，其化学性质活泼。在标准温度和压力下，氢气是无色、无臭、无味的。氢是含量最丰富的元素，是最环保、洁净的能源，热值为汽油的三倍，着火点低，体积分数为18%～65%，易爆炸。氢能效率高，是可储存的二次能源。氢气密度是天然气的1/8左右。氢气与天然气特性对比见表1。

表1 氢气与天然气的特性对比

与甲烷相比，氢气在高温下更易挥发，氢可以分解成2个原子（H），这些原子能够渗入钢中并再次结合为H2，这将导致材料中的张力不均匀，产生氢脆而致使钢失去强度。在输送氢气或含氢混合气体时，需要选择合适的输送管道。

2 主要制氢技术

目前制氢的主要来源是化石燃料、水电解和化工副产物。各制氢方式工艺对比见表2。

表2 各制氢方式工艺对比情况

续表2

2.1 水电解制氢

水电解制氢工艺主要有三种，一是碱性水电解制氢、二是PEM水电解制氢、三是固体氧化物水电解制氢技术（SOEC）。碱性水电解制氢多采用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽（外形似压滤机）来电解苛性钾或苛性钠的水溶液［2］。阳极出氧气，阴极出氢气。国内碱性水电解制氢设备单台稳定最大产气量为1000 m3/h。碱性水电解制氢系统结构较为简单、成本低、寿命长、稳定性好，且工作温度较低，无需使用贵金属作为催化剂，制造成本见图2。

图2 产能1000 m3/h的碱性水电解制氢设备制造成本

PEM水电解制氢工艺具有工作电流密度高、电解效率高、反应无污染、装备质量轻、结构紧凑等优点。随着PEM水电解技术的不断突破，与可再生能源发电技术进行深度耦合，可使其成为电网调峰的理想能量存储转换装置。SOEC制氢技术仍处于研发阶段。三种水电解制氢工艺对比见表3。

表3 三种水电解制氢工艺对比

续表3

2.2 碱性水电解制氢工艺

2.2.1 碱性水电解制氢工艺简介

碱性水电解制氢系统主要由电解槽、气液处理器（框架）、加水泵、水碱箱、控制柜、整流柜、整流变压器和阻火器等部分组成，由槽体、阳极、阴极构成电解槽。浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜构成水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。

双极式电解槽虽然也是由多个并列的电解池（小室）构成，但是是由若干电解池以串联的方式靠一组电源供电，并不是独立供电的阳极与独立供电的阴极，总共只有一个阳极与一个阴极。图3为双极式电解槽结构与原理示意图。

图3 双极式电解槽结构与原理示意图

电解槽的一端是阳极板，另一端是阴极板，中间有若干极板把电解槽分成多个小室。每两个极板间有隔膜。在阳极板与阴极板总电势作用下，中间各极板均匀的分配电势，使每个小室组成有阳极板与阴极板的电解池。每个小室的阳极板同时是紧邻小室的阴极板，同样阴极板也是紧邻小室的阳极板，一块极板正反两面具有相反极性，故称之为双极板。［3］

氢、氧分离器中的电解液经连通管汇集，经碱液过滤器除去机械杂质后，由循环泵经流量开关打入电解槽，形成闭环系统，保证连续运行，碱性水电解系统如图4所示。

图4 碱性水电解系统图

电解槽隔膜主要由起分离气体作用的石棉组成，金属合金组成阴极、阳极，如Ni-Mo合金等，分解水产生氢气和氧气。工业上碱性水电解槽的电解液通常采用KOH溶液，产生气体压力0.1～3.0 MPa，总体效率62%～82%。碱性水电解技术没有使用贵金属材料，适合于大规模的制氢场合，其使用寿命可以达到20年，技术成熟，投资和运行成本低，操作范围负荷的变化从10%～110%，但也存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题。

2.2.2 碱性水电解制氢工艺过程

在电解槽内，水在电的作用下进行电化学反应，分解生成氢气和氧气。从电解槽输出的氢气，经过氢气分离器和纯化洗涤后获得纯度99.999%的氢气，通过氢气管道输入到缓冲罐中以备使用。从电解槽出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分离器和氧分离器中，分别与氢气、氧气分离，后经过冷却、循环泵和过滤器后再次进入电解槽、形成循环。水电解过程中碱起到增加电导作用。

2.3 水电解制氢产业化及关键环节路径

水电解制氢是重要的制取绿氢的方法，电解槽的市场由于水电解制氢规模的提升而迅速增加。然而绿氢由于电价和水电解制氢系统导致制造成本居高不下，其中电解槽作为大规模制氢的关键装备，在制氢系统总成本中的占比近一半。因此，如何改进电解槽对于制氢成本的降低起着关键性的作用。

碱性水电解制氢的主要环节包括：

①碱性水电解工艺的优化和提升；

②核心装备电解槽的结构设计、高效率低成本制造、性能检测和标准化；

③碱性水电解装备配套材料的优化和升级；

④满足制造相应部件材料的加工装备。

针对特殊行业如玻璃行业、水泥行业等，在峰谷电价差大的地区用氢作为储能介质，运行电-氢-电循环转换，稳定用电负荷，稳定电气紧缺地区的企业峰谷电平衡能力。

3 氢能在玻璃熔窑中应用

氢气是绿色清洁能源，并且热值高、适合替代化石燃料。根据国内当前主流玻璃窑炉运行状况，对其进行绿色清洁燃料改造和升级，有效降低碳排放，氢能科学研究价值和生态效益显著。

围绕玻璃熔窑氢能应用，研究氢气燃烧熔窑仿真模拟及动力学和热力学过程，火焰燃烧特征，辐射传热效率的影响规律；开展窑型结构、燃烧控制、喷枪、水蒸气/羟基控制等关键技术和装备研发；提出适应玻璃生产工况的安全储氢、输氢、窑前混合等解决方案。建成示范线并实现安全稳定运行，实现氢能替代率≥30%，燃烧过程降低CO2排放的效果。

秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司有着近70年的技术沉淀，创新研发了许多新型窑炉及燃烧系统配套技术，具有丰富的工程经验。研发并完成世界第一条超大吨位优质浮法玻璃生产线；研发并完成国内最大规模、运行时间最长的800 t/d级高水蒸气、高碱蒸汽全氧燃烧窑炉；在国内最早使用高氢燃料进行大规模平板玻璃生产；最早完成玻璃熔窑多种燃料混合燃烧技术；以上各工程技术的应用为氢气制造、输送、控制方面积累了丰富的经验，有助于氢能在玻璃生产线的实施。

4 结语

碱性水电解制氢技术工艺较为成熟，也存在耗电大、生产成本高、工作电流密度较低、碱液流失、设备腐蚀问题。通过优化电解槽的结构设计、高效率低成本制造，配套材料的替换和升级，制造新部件的装备，全面提升水电解制氢技术和水平，为稳定生产氢能提供技术支撑和条件保障。通过提高设备压力（＞5 MPa），延长使用寿命（＞20年），解决现有碱性水电解制氢存在的短板。制氢技术也向着高能效、大容量、宽功率、低成本、集成式、模块化的方向发展。