可再生能源制氢技术及其主要设备发展现状及展望

可再生能源制氢技术及其主要设备发展现状及展望

杜元媛

宁夏回族自治区电力设计院有限公司  宁夏  银川  750016

摘要：目前，我国的可再生能源制氢技术有了很大进展，在目前国内碱性电解槽本身高度同质化，而制氢辅助管理系统市场方面尚存在较大缺口的情况下，高效制氢辅助管理系统将是未来的一大热门破局方向。本文首先分析制氢技术分类，其次探讨可再生能源制氢技术，最后就绿氢制氢装置及企业发展现状及未来发展趋势进行研究，为制氢设备的未来发展提供了参考。

关键词：颜色分类，电解水制氢，碱性电解槽

引言

氢能是一种绿色、高效的二次能源，采用风电、光伏等绿色能源制氢得到越来越广泛的关注。风电、光伏就地制氢既可解决弃风、弃光问题，又可大幅降低电网的投资，避免电力远距离输送，具有很好的经济性。但中国风电、光伏发电站多建在电网末端，处于弱电网中，在弱电网中电力电子变换器容易出现不稳定问题，典型不稳定现象表现为电力电子变流器与弱电网的次同步振荡。

1制氢技术分类

氢的应用主要分为两部分，一是作为能源载体，主要用于交通领域。例如氢燃料电池汽车、氢燃料电池船舶、氢燃料电池叉车等；二是作为工业气体，应用于石油炼化、化工合成（合成甲醇、合成氨等）、钢铁、玻璃、半导体等领域，例如氢气可作为化工合成的原料、钢铁冶炼的还原气体。据报道，氢应用在石油炼化领域占比33%，在合成氨领域占比27%，在合成甲醇领域占比10%，在钢铁行业占比为5%，在其他行业占比约为26%。制氢技术方法分类从含氢化合物开始，并根据所采用的原材料和制造方法进行分类。全球能源基础设施（Global energy infrastructure,GEI）机构建立了颜色分类方法，并公布了各种制氢技术分类的明确定义。

2可再生能源制氢技术

2.1故障塔切除与恢复控制软件

在变压吸附装置运行过程中，如因阀门、控制线路、电磁阀等问题，使某塔不能正常工作时，就需要切掉一个塔，让其余的塔正常运行，保证生产不间断，以此类推可根据装置配置情况和生产情况切除该塔，系统仍能正常运行，这是提高变压吸附装置可靠性的一个关键，也是变压吸附控制技术的一个核心。本系统可从五塔到四塔的切换运行。当被切除塔修复之后，操作人员发出恢复指令，程序就会在最佳步序（程序预先设定有若干切入步序）将修复的塔投入正常运行，使对系统引起的波动减少到最小。本装置PLC控制系统为仪表、电气一体化的自动化控制系统。

2.2风光耦合柔性电解水制氢方案分析

“风电+光伏制氢”系统运行方式：风光部分上网+余电制氢、风光全离网独立制氢和风光离网+电网应急电源制氢三种方式。目前来说，“风光部分上网+余电制氢”模式是最经济的，但是并网余电制氢主要目的是发电、售电。“风光部分上网+余电制氢”系统包括风电机组、光伏阵列、风机变流器、光伏逆变器、储氢装置、升压变压器、制氢装置、IGBT制氢整流电源、降压变压器、高压电网、控制管理系统，该系统主要是先将光伏发电、风电并网，电解水制氢容量作为新能源并网配储的强制指标，电解水制氢消纳一部分余电，并将制取的氢气储存至储氢装置。风光余电制取的绿氢储存后，既可以作为氢能汽车的燃料来源，又能用于化工、冶金行业，降低工业领域的碳排放。

2.3面向最大效率的压强优化模型

由PEM电制氢系统内部各个器件的功率表达式可知，各器件功率之间可以通过压强参数相互关联。在其他运行参数相同的条件下，通过改变系统的运行压强可以实现系统内部器件功率之间的优化配合，达到提升电制氢系统整体性能的目的。

2.4质子交换膜电解水装置（PEM）

铂、钛、铱等贵金属成为（PEM）电解槽扩产的主要瓶颈，降低贵金属使用率或开发替代材料是（PEM）电解槽降低成本的未来发展趋势。电解水制氢的成本主要取决于电力成本、电解槽投资成本和运行负荷，其中电价对电解水制氢的敏感性影响最高，占60%～70%。随着电力成本下降，设备投资成本的占比逐渐增加。电解槽作为整个系统的核心，其成本占系统成本的65%，膜电极约占系统成本的28%，其中贵金属约占膜电极成本的40%。因此需要尽量降低贵金属的使用量或开发其他非贵金属替代材料。

3绿氢制氢装置及企业发展现状及未来发展趋势

3.1波动运行工况

PEM电制氢系统在可再生能源输入下的运行需要重点考虑输入电流的波动性，本节以一天内的波动电流输入为例进行分析，包括低负载阶段、高负载阶段以及高、低负载切换阶段。考虑到制氢系统的运行安全，实际工程中往往通过配置储能等方式将输入电流控制在适中的安全范围内。

3.2故障塔切除与恢复控制软件

在变压吸附装置运行过程中，如因阀门、控制线路、电磁阀等问题，使某塔不能正常工作时，就需要切掉一个塔，让其余的塔正常运行，保证生产不间断，以此类推可根据装置配置情况和生产情况切除该塔，系统仍能正常运行，这是提高变压吸附装置可靠性的一个关键，也是变压吸附控制技术的一个核心。本系统可从五塔到四塔的切换运行。

3.3PEM技术效率高，启停快

相较于ALK具有全方位的性能优势，且技术成熟度高，目前已在国内风光氢一体示范项目中有一定的落地规模。但是其单槽成本较高，PEM依赖铂、铱等贵金属作为催化剂，需要在极片表面涂覆，导致单槽价格远高于ALK，一般为3～5倍的价格差距，且金属极板、贵金属涂层和贵金属催化剂合计占比约为58%～60%，降价弹性较小。因此高价格也成为制约PEM进一步大规模推广的主要因素。

3.4波动运行工况

PEM电制氢系统在可再生能源输入下的运行需要重点考虑输入电流的波动性，以一天内的波动电流输入为例进行分析，包括低负载阶段、高负载阶段以及高、低负载切换阶段。考虑到制氢系统的运行安全，实际工程中往往通过配置储能等方式将输入电流控制在适中的安全范围内。通过建立系统辅助设备与PEM电堆的协同运行机理，得到了压强参数影响系统制氢效率的运行机制。运行压强通过影响电解槽的电化学过程和电解液跨膜传质过程来影响电解槽性能，而辅助设备运行工况与电解槽运行情况直接相关。因此可以通过压强参数控制系统各个部件之间的协同运行，从而实现系统制氢效率的提升。

3.5中变系统控制措施

由于装置规模较小，采用中心管调节废锅或高温转化气旁路调节中变温度既不经济，也不是很适用。可以保证低负荷工况下CO的起活反应，同时，设计增大了变换催化剂的装填量，使停留时间延长，利用CO变换反应放出的热量提高催化剂床层温度，提高低负荷工况下CO转化率。

结语

目前我国制氢电解槽市场中，碱性电解槽占据主要市场约95%，PEM电解槽占5%左右，AEM和SOEC目前仍在实验室阶段，商业化程度较低。欧洲碱性电解槽和PEM电解槽的市场占比基本持平，未来中国电解槽市场PEM占有率将逐渐上升。我国PEM产品并不成熟，成本是碱性电解槽的5-8倍，制氢功率电流密度和寿命等核心指标还未达到先进程度。未来适应风光波动性且低成本的PEM电解槽会更加具有竞争力，碱液（ALK）+质子交换膜（PEM）组成的电解水制氢系统会成为风光制氢系统的标配。

参考文献

[1]曹军文，张文强，李一枫，等.中国制氢技术的发展现状[J].化学进展，2021，33（12）：2215-2244.

[2]杨春.我国氢能产业发展现状及战略政策动态研究[J].电工技术新能源系统与装备，2021：20-22.

[3]张庆生，黄雪松.国内外氢能产业政策与技术经济性分析[J].低碳化学与化工，2023，48（2）：133-139.