工業水電技術探析

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一、解制氫技術

1．水電解制氫技術的發展軌跡

自從1800年尼爾森等人成功地將水電解成氫氣和氧氣以來，水電解制氫技術得到了飛速的發展。但在上個世紀50年代初期，人們開始從碳氫化合物中制取大量廉價的氫氣，使水電解制氫技術的發展受到了一定的限制。從1955年~1975年二十年間，采取水電解制氫方式得到的氫氣不足世界氫氣總產量的2%，水電解槽的銷量也極度萎縮，水電解制氫技術的研制僅集中在宇航和軍用裝置上。

2．水電解制氫技術的發展目標

近二十年來，由于工業生產的飛速發展和能源的日漸短缺，氫氣的應用領域越來越廣，對氫氣的需求量也在逐年的增加。據美國氫氣協會分析，2007年全球年生產氫氣超過5000萬噸，氫能作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。因此專家普遍認為，氫能的大量利用將在10多年后。因此，水電解制氫技術的開發與研制受到各國政府的越來越高的重視與支持。近年來，我國和美國、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發展規劃，把發展氫能源作為21世紀新能源的戰略目標。目前我國已在氫能領域取得了多方面的進展，在不久的將來有望成為氫能技術和應用領先的國家之一。

二、工業水電解制氫技術的發展概況

1．國外水電解制氫技術的發展

世界上有數十家公司和科研單位在研究和開發水電解制氫技術，并取得了很大進展。如：加拿大的多倫多電解槽有限公司、美國的德利戴恩和通用電氣公司、德國的魯奇公司、意大利米蘭的DeNera公司、挪威的海德魯公司和日本的陽光制造所，以及英、法等國家都在研究水電解制氫技術。加拿大多倫多電解槽有限公司主要生產箱式單極電解槽，挪威的海德魯公司和意大利米蘭的DeNera公司以大型常壓電解槽為主，意大利曾為印度建造一臺3350m3/h制氫設備。美國的通用電氣公司主要為宇航和核潛艇研制固體聚合物電解質制氫（氧）裝置。工業電解槽的發展具有代表性的是美國的德利戴恩公司和德國的魯奇公司。美國的德利戴恩（Teledyne）公司該公司直到1967年才開始研制燃料電池和電解制氫技術。在1971年，該公司取得了Allis-Chalmers公司的技術后，在隔膜和電極方面作了些改進，生產小型、中型和大型三種型號的水電解制氫設備。小型電解槽的產量為0.3~0.6m3/h，工作溫度在56~110℃之間，工作壓力在0.2~0.7MPa，氫氣純度達99.9%，電解液為25%的KOH溶液，采用自然循環，不要求循環泵。氫氣主要用作生產氣體色譜儀的載氣和火燃離子儀的燃料氣體；中型電解槽的產氫量為0.3~12m3/h，亦為自然循環，采用程序控制并設有聲光報警系統。氫氣純度達99.998%（帶干燥裝置），系統的工作壓力為0.7MPa，環境溫度為5~49℃，單位直流電耗為5.3~6.1Kwh/m3H2；所謂大型電解槽的產氫量為28~42m3/h，采用微機全自控，并能連續監測各種運行參數，采用強制循環。其主要技術參數是：工作壓力為0.42~0.91MPa，氫氣純度達99.998%（帶干燥裝置），直流電耗為6.4Kwh/m3H2；德國魯奇（Lurgi）公司主要生產大型的工業水電解制氫裝置，產氫量通常在110~750m3/h。電解槽采用壓制的石棉隔膜，電極為鍍鎳鋼板，副極網為壓制的金屬網，槽體的密封材料采用聚四氟乙烯，電解液為25%的KOH溶液，系統的工作壓力為3.0MPa，工作溫度在90℃，小室電壓1.9V，單位直流電耗為4.3~4.6Kwh/m3H2。制氫系統可隨著氫儲罐壓力的升高自動的調節直流電流的大小來調節產氫量。

2．我國水電解制氫技術的發展

我國水電解制氫技術的發展，經歷了從小到大、從常壓到加壓、從手動控制到PLC全自動控制的發展歷程。1985年以前，我國工業水電解制氫裝置以常壓設備為主。1985年以后，我國水電解制氫裝置得到了飛速發展，逐漸以加壓設備取代了常壓水電解制氫裝置?，F在國內幾家主要從事制氫裝置生產的公司，均是通過718所取得的生產技術，故下面著重介紹一下718所水電解制氫技術的研制和發展概況。上個世紀60年代，718所為國防軍工建設開始水電解制氫技術的研究。1979年，開始承擔民品任務，開發成功了國家氣象局2m3/h氣象制氫裝置。目前，全國的所有氣象臺站，基本都配置了718所的氣象制氫裝置；1985年，在原來軍品的基礎上開發研制出我國首臺采用可編程控制的加壓水電解制氫裝置，填補了國內空白；1994年，成功地開發出微機全自動控制的80m3/h制氫裝置，性能達到了世界先進水平；1997年，通過與挪威海德魯公司的技術合作，研制成功了無石棉隔膜電解槽，得到了國際市場的通行證。上個世紀90年代，已大量出口到歐洲市場。新世紀的到來，718所面臨新的機遇和挑戰。除加強新產品的開發力度外，同時利用國家的保障條件建設，增添了許多大型實驗設施和生產設備，為軍品科研和民品開發增添了新的活力。2000年，開發研制成功當時國內產氣量最大的250m3/h的制氫裝置，出口伊朗；2001年，研制開發成功電廠專用無人值守的一體化制氫裝置。目前，全國所有的火電廠60%-70%都配備了該型裝置；2002年，研制開發成功我國首臺集裝式水電解制氫設備，不需廠房，整套設備集中裝在集裝箱內，形成獨立的氫站；2003年，研制開發成功產氣量為350m3/h的制氫裝置，再創中國之最。目前已成為多晶硅生產廠家的首選機型，擁有全國一半以上的市場份額；2004年，研制開發成功1.5m3/h車載式水電解制氫設備，機動性強，在神舟系列發射、512汶川大地震、奧保、國慶60年安保等活動的氣象保障工作中發揮了重要的作用；2008年，研制開發成功產氣量為600m3/h的制氫裝置，使用了自主知識產權的無石棉隔膜，攻克了操作溫度制約的瓶頸，有效降低了能耗，使我國水電解制氫技術成功的站在世界的最前端。由于設備成本的大幅度降低，也使大規模制氫的模式成為可能。SPE水電解制氫技術是當今世界電解效率最高的一種制氫技術，目前，只有美、日等幾個國家掌握了此技術。不管是軍用還是民用都具有廣闊的發展前景。作為國內唯一從事水電解制氫技術研究的專業科研院所，718所從上個世紀80年代初，就一直跟蹤國外的發展概況，經過多年的調研和技術論證，于上個世紀末立題，開展SPE技術的研究。經過十幾年的研發，目前已取得了突破性的進展，實現了工業化應用。優質的電解石棉布是水電解制氫裝置質量的保證。傳統石棉隔膜，當操作溫度超過90℃時，石棉隔膜的腐蝕率也上升，同時還會產生機械變形，降低機械強度，造成氣體純度下降，裝置壽命縮短，嚴重的還會造成重大安全隱患。石棉是致癌物，許多發達國家已頒布法令禁止使用。石棉原料礦儲量有限，近年來，優質原料已越來越少，總產量已不能滿足國內各生產單位的需求。有些單位無奈之下，降低使用要求，已給許多用戶造成損失甚至發生事故。故研制新型的隔膜替代石棉隔膜有著重要的意義。718所2005年立題，經過幾年的努力，取得了階段性的進展。2007年研制出具有自己獨立知識產權的無石棉隔膜，應用到產氫量從0.5立方每小時到600立方每小時的各種型號的裝置上，數量近百臺，經過兩年來的運行，各項性能穩定，單位氣體能耗比石棉電解槽降低5%以上，取得了良好的社會和經濟效益，徹底打破了國外的壟斷。開發研制新型電極催化材料，提高電流密度，提高電解槽效率，配合無石棉隔膜的應用，通過提高操作溫度來改進電解槽的效率，降低制氫成本，是發展高效先進電解槽的必由之路。四十多年來，718所在該領域已取得數十項國家專利，廣泛應用于電子、電力、冶金、化工、建材、新能源、宇航、氣象和軍用工程，為國家的經濟建設做出了貢獻。

三、水電解制氫技術的應用和意義

1．傳統行業

水電解制氫技術在工業上的應用已有近百年的歷史。在化工方面，氫氣可以用于脂肪和油類的氫化作用，氨的合成，在尼龍、塑料、農藥的生產中也都離不開氫氣；在冶金方面，氫氣可以用作特種的處理，作為一種保護氣，可以提高產品質量，簡化工序；在電子工業方面，主要用于半導體的加工；在浮法玻璃生產、人造寶石的加工中也都把氫氣作為一種燃燒氣體；在電廠，氫氣被用做發電機組的冷卻劑；液氫是火箭和宇航的重要燃料；在科研和氣象方面也廣泛的應用氫氣。

2．新能源領域

氫氣在交通領域的應用將得到快速的發展。我國已在北京、上海等地先后建立起了汽車加氫站。據有關資料報導，到上海世博會期間氫能汽車將達到千輛。2003年3月，挪威公司采用718所研制的水電解制氫設備在冰島首都雷克雅來克建立起世界第一座加氫站，首次實現了為轎車和公共汽車加氫燃料。該加氫站于2004年4月正式開始運行。2003年5月和2004年11月，挪威公司采用相同方式分別在德國漢堡和柏林建立加氫站。

3．新能源轉化利用

氫氣的應用不僅限于上述幾個方面。由于能源危機，氫氣作為一種新型能源受到人們的普遍重視。人們已經認識到，盡管可以從煤、天然氣和石油等原料中制取廉價的氫氣，但這些原料正在逐年的減少以至枯竭，不得不尋找新的能源。通過水電解制取的氫是理想的“干凈”的新能源。節能減排，限制溫室效應，保護地球，保護我們的家園，已成為全世界人們的共識。水電解制氫技術在水電站、風力發電和核電站也具有廣闊的應用前景。挪威在其西部海岸于特西拉島（utsira）建造了世界上第一座風能-氫能發電站。利用島上豐富的風能進行發電，再利用剩余電力生產氫氣，在低谷時再利用氫進行發電。滿足了島上居民日常生活用電要求，剩余部分還可以上市。發電站也采用了718所研制的水電解制氫設備。

四、氫能利用發展趨勢預測

“氫能經濟”時代即將到來。世界各國都在加快涉足氫能開發和利用。國外氫能的發展不再單純停留在技術領域上，已產生了“氫能經濟”新經濟模式的理念。按照美國氫能技術路線圖，到2040年美國將走進“氫能經濟”時代。在這一階段氫能將最終取代石化能源成為市場上最廣泛使用的終端能源。中國的中長期科學和技術發展規劃戰略也把氫能列為重點之一，有關科研機構和企業表現出了極大的熱情。目前我國已在制氫技術、儲氫材料和氫能利用等方面進行了開創性的工作，擁有一批氫能領域的知識產權，其中有些研究工作已達到國際先進水平。我國地域遼闊，能源轉換離不開氫能。我國有豐富的太陽能、風能資源，通過電解水轉換成氫氣進行能量的轉化和儲存、運輸，有效的解決峰谷、傳輸和電網波動問題，可能是最佳途徑之一。我國南部和西南地區勢能差大，水資源豐富，水電發達，在豐水期可用大量剩余電力通過電解水制取氫。核能、生物質能等新能源的發展目前看也離不開水電解制氫技術。所有嘗試目前都已取得了一定的進展。

五、結束語

能源短缺，尋找新型能源是全人類的共識。氫能源將成為21世紀新型能源的一顆新星。水電解制氫技術也面臨著新的機遇和挑戰，提高水電解制氫效率，降低制氫成本，發展高效水電解制氫技術是我所的當務之急。我所愿意與全國的同行共同開發高效水電解制氫技術，為我國水電解制氫技術的發展攜手前進。