水电解制氢技术.docx

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。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。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

氢气与天然气特性对比见表1。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。

表1氢气与天然气的特性对比

2主要制氢技术

（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。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1000m3/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1000m3/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。

（2）碱性水电解制氢工艺

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。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。

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3所示。

图3碱性水电解系统图

（3）水电解制氢产业化及关键环节路径

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。

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800t/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