可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展

颜祥洲(湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057)

0 引言

国内电解水生产氢气技术以氢源供给来看所占的比例并不是很高，电力成本与关键部件的开发，为造成其能耗不低、约束其进步的关键。研究人员给出多种途径来处理以上问题，如通过对电力的使用，进而处理电力成本问题，找出性能更为优异的析氢催化剂，进而来实现对能耗的降低，总结了很多的经验且获得了较大成果。基于对低碳能源以及推动氢能产业进步的考虑，应该把以下领域融合讨论，一起推进。

1 电解水制氢技术

在工业生产氢气方面，电解水制氢属于非常重要的技术措施，由电能来供应能量，促使水分子出现电化学反应，从而产生H2以及O2。对于水分解反应来讲，通常可以将其分成两个部分，也就是阴极析氢以及阳极析氧。按照电解质的差异，目前可把该项技术分成以下几类：第一类为碱性电解水制氢，用AWE来表示；第二类为质子交换膜电解水制造氢气，用PEM来表征；第三类为固体氧化物电解水制氢，用SOEC来代表[1]。参数比较如表1所示。其中AWE是最为成熟的，存在着诸多的优势，技术安全、生产费用不昂贵、易于进行操作等，不过它的电解效率不高，通常介于60%至75%之间；PEM也有着多项优点，如反应没污染、转换效率理想及结构较为紧凑，不过它所需成本较高，所以没有达到大规模运用；SOEC由于有着很高运行温度，通常处于600～1 000 ℃的范围，故而有着较为理想的转化效率，不过高温约束了材料选取，还处在研究环节。

表1 电解水制氢技术参数比较

2 电解水制氢催化剂

2.1 过渡金属基电催化剂

到目前为止，探索便宜、储量充足以及活性理想的电催化剂，为科学研究的关键所在。对于过渡金属基电催化剂来讲，它有着非常理想的催化性能，可以实现对贵金属的取代。把一些相关的过渡金属(如铁元素)同相关的非金属元素(如：O、S及N)复合，可提升催化性能，同时获得了不错的发展。

2.2 单原子催化剂(SACs)

何谓单原子催化剂(用SACs来表示)，一般就是基于活性金属，通过原子形式进而产生的催化剂，在和载体进行融合之后会产生电子形态，所以无论是催化活性还是原子使用率，都是较为理想的。通过SACs有助于更好解释催化剂的构效关系，并且在多相以及均相催化方面起到了桥梁的作用。Pt的吸附自由能同零相接近，所以是比较科学的催化剂。不过昂贵的生产成本以及较少的储量，约束了Pt的商业运用。处理以上问题有着以下思路：首先，对非贵金属催化剂进行开发；其次，通过提升Pt使用率，进一步来提升Pt原子的消耗。SACs的出现可以更好使用金属，同时节省成本，向HER的开发提供了思路。SACs的合成策略一般包含缺陷工程以及空间限域等[1]。

3 驱动电解水制氢

3.1 氢能源技术路线比较

基于天然气重整制氢技术来看，它的发展是比较快的，但是其制氢成本也会被天然气价格所影响。在2018年时，中国发展成最大的天然气进口国。就天然气来说，它的对外依存度是比较高的，在国际环境越来越紧张的情况下，贸易摩擦逐渐加剧，随着新冠疫情传播，还有我国多煤炭、少石油及天然气的特点，促进天然气制氢技术的发展，还应进一步探讨。

我国在煤化工产业上获得了较快发展，这也促使煤制氢技术逐渐比较完善，还能开展大规模制氢作业，然而实际进行生产时，会释放大量二氧化碳，还应与碳捕集封存技术融合运用，该项技术也可叫做CCS。现阶段CCS技术还在持续探索中，应促进这项技术的研究发展，全面减少能耗及成本，在后续发展中，应将该项技术当成大规模制氢的途径，以减少生产成本[2]。

借助低碳电力驱动方式，来开展电解水制氢，通常是借助可再生能源发电，对电催化水分解形成的氢气进行驱动，在这之中的电力涉及风电及光伏等。针对可再生能源发展来看，能源储备是比较大的，在开发力度上也处在中上水平，结合国际能源署相关报告得知，在2020年，我国能源装机容量就达到了全球的50%，虽然政府对风能及太阳能项目没有过多补贴，但在后续发展中，我国的可再生能源获得了持续增产，上升了50%以上，远超了过去几年的水平，这也同我国2060年“碳中和”的目标一致。

3.2 电力制氢问题

利用可再生能源开展制氢作业，有利于促进氢能产业高效发展，是行之有效的方式，但还是有着一系列的问题及挑战。第一，发电过程中存在的问题。针对可再生能源而言，它极易被季节及气候因素影响，导致出现间歇及随机等问题。第二，制氢成本方面的问题。基于技术的逐渐成熟，还有供应链竞争越来越激烈，在原来的发展中，发电成本越来越小，然而相较于化石燃料发电，还应进一步分析，想要有效增强价格竞争力，需要对能源消纳问题加以重视，这会对制氢成本产生较大的影响。第三，发电并网存在的问题。就我国的能源资源分布来看，基本上都位于西部地区，但对电力的使用，通常是在东部及南部地区比较大，怎样实现并网、输送及消纳之间的协调，这是现阶段亟需解决的难题。第四，电力制氢应用上存在的问题。针对风力及光伏资源来看，我国有着非常大的储量。但是对于弃光地区而言，他们并非急需地区，这就会出现氢气运输方面的问题，怎样达到安全可靠运输，全面减少运输氢气的成本，并科学应用氢气，这是氢能产业应该重视的问题。

3.3 电力制氢优势

第一，能够很好地解决发电运行中存在的问题。一系列弃风等行为造成的弃电，这是有效促进电解水制氢技术的动力，基于可再生资源储备而言，针对资源较多的地区，可为其配备相应的电解槽制氢装置，从而更好地处理发电运行中的一系列问题，促进环保措施的有效运用。第二，科学消纳可再生能源。想要制造低成本氢，需要获得低成本电力的支持，如此才能实现电解槽长期运行。伴随太阳能和风力的开发，其发电成本越来越低，在日后发展中，可再生能源平价发展，能够为电网电力制氢奠定夯实基础。第三，达到能源有效利用。根据成本及环保方面来看，借助可再生能源开展电解水制氢，不但能够促进氢能低成本发展，实现大规模制备，还能更好地处理碳排放问题，促进清洁能源合理应用[3]。

4 光伏发电制氢

4.1 利用太阳能的制氢技术

伴随人们对氢能需求的越来越多，借助水作为原料，借助太阳能制氢是目前世界各国的一致目标。借助太阳能制氢的方式是非常多的，如光电化学分解水制氢等。在这之中，光伏发电制氢获得了较快的发展。

现阶段，借助光伏发电制氢，主要是利用太阳能光伏板，将其同电解槽实行连接，并划分成两个系统，一种是间接连接，另一种是直接耦合。针对间接系统来看，它是现阶段运用比较广泛的方式，其中涉及的部件有蓄电池及电解槽等。该设计方式主要是借助蓄电池能以及相应的转化器，来完成电压及电流的调节，以实现电解槽的相关要求。这一系统能够全面实现电解槽性能，确保其安全运行；不足之处是转化器等设备的使用，在一定程度上提高了系统成本，在这一过程中，还会产生电能传递损失，从而减小系统效率。就直接耦合系统而言，一般是利用光伏阵列同电解槽的有效配合，在这一系统中，可以不用蓄电池等设备，好处是该系统比较简单，极大降低了故障出现的几率，从而减少相关的维修成本。结合有关研究显示，应根据该地区气候及日照等条件，科学设计光伏阵列等构成，相较于传统的间接连接，这种直接的耦合连接可以进一步增强制氢效率。

基于光伏发电制氢来看，其优点包含下述几点：第一，光伏发电存在一定的随机性及阶段性等特征，可以把光能及电能结合起来，通过电解水制氢技术完成，促进能量的科学使用，并将能量储存了起来，是科学处理该问题的重要手段。第二，就光伏发电制氢来看，这项工艺的操作较为简单，并且相关的运维难度也很低，应结合场地实际需要，开展模块化组合，针对分布式能源而言，在后续发展中，应注重供应燃料电池的研发，这是促进能源有效运用的关键措施。第三，光伏发电对于可再生能源发展具有关键性的作用，电解水制氢能够促进清洁能源的开发及利用，是行之有效的措施。将两者有机融合，能够更好地满足国家绿色能源的发展要求，满足全球能源发展及环境治理的需要。

4.2 问题与建议

在光伏发电过程中，最重要的就是电网问题，由于自身电力缺乏稳定性，若是不借助电网开展，将很难达到这一应用要求。由此可知，电网配套问题对光伏发电发展有着较大的影响，借助间接及直接耦合方式，实现电解水制氢，还应进一步评价。我国在光伏新增规模上获得了较大的发展，然而其核心技术是从国外引入的，这对光伏产业的发展是一项挑战，不利于光伏制氢技术的发展。因为本地区存在较大的弃光弃电问题，现阶段光伏发展应转移至中东部，这也使得集中式装机获得了较快的发展，怎样促进光伏制氢技术进步，是应该研究的问题。针对上网成本问题，基于光伏补贴政策的减少，光伏产业的发展对光伏发电制氢有着关键性的作用，针对光照资源较好的地区，可扩大发展规模，发挥示范作用。就核心技术问题来看，应提高光伏及氢能技术的研究力度，加大相关的投入，借助目前的示范项目开展技术攻关，增强核心竞争力。

5 风力发电制氢

5.1 利用自然风能的制氢技术

就风力发电制氢来看，一般是借助风力驱动形成电能，通过电解水来制氢，再把它运送到应用终端。该项技术包含两种类型，依次是并网型及离网型。针对并网型而言，主要是借助风电机组，将其与电网相连，借助电网电力，开展电解水制氢，大部分都运用在大规模风电场；针对离网型来看，一般是借助风电机组形成电能，然后利用电解水制氢装置，并不用电网分配，大部分都会运用在分布式制氢技术中。

5.2 存在的问题与建议

针对技术问题来看，该项技术在电能方面的要求非常高，但风电却有着很大的随机性，会导致电力供应反复波动，不利于制氢设备合理使用，对电能合理匹配产生了较大影响。在运用方面，现阶段的用氢单位大部分为化工企业，由于运输及存储成本问题，企业往往借助传统制氢方式完成。在高纯氢气利用上，有着非常多的用户，但其实际用量相对较小，氢燃料电池还在发展中，没有大规模运用的环境。应致力于关键技术的研究。根据风电间歇性等问题，探讨技术的突破，从而节省开发成本，增加技术效率，并提高质子交换膜等技术的投入，从而达到生产要求。促进海上风电制氢的研究。现阶段都是借助并网型方式，由于输电线路容量，风电场同氢气用户之间的距离比较近，根据区域角度，需求较大的企业大部分都位于沿海地区，可开展海上风电项目，从而解决电力及氢能运输方面的问题。

6 结语

也能持续促进电解水制氢的研究，是有效落实低碳发展战略的重要措施，有利于更好地解决我国依赖化石能源的问题，解决氢气产能方面的问题。就电解水制氢来看，应持续完善制氢技术，最大程度地减少生产成本及能耗，增加生产效率。针对核心部件方面，如电解槽等，应提高研发力度，从而更好地解决发展中的系列问题，进一步促进氢能产业的发展。