工業(yè)水電技術(shù)探析

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一、解制氫技術(shù)

1．水電解制氫技術(shù)的發(fā)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(shù)得到了飛速的發(fā)展。但在上個(gè)世紀(jì)50年代初期，人們開始從碳?xì)浠衔镏兄迫〈罅苛畠r(jià)的氫氣，使水電解制氫技術(shù)的發(fā)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(chǎn)量的2%，水電解槽的銷量也極度萎縮，水電解制氫技術(shù)的研制僅集中在宇航和軍用裝置上。

2．水電解制氫技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)

近二十年來，由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展和能源的日漸短缺，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對(duì)氫氣的需求量也在逐年的增加。據(jù)美國(guó)氫氣協(xié)會(huì)分析，2007年全球年生產(chǎn)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(rèn)為，氫能的大量利用將在10多年后。因此，水電解制氫技術(shù)的開發(fā)與研制受到各國(guó)政府的越來越高的重視與支持。近年來，我國(guó)和美國(guó)、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，把發(fā)展氫能源作為21世紀(jì)新能源的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前我國(guó)已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)展，在不久的將來有望成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國(guó)家之一。

二、工業(yè)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展概況

1．國(guó)外水電解制氫技術(shù)的發(fā)展

世界上有數(shù)十家公司和科研單位在研究和開發(fā)水電解制氫技術(shù)，并取得了很大進(jìn)展。如：加拿大的多倫多電解槽有限公司、美國(guó)的德利戴恩和通用電氣公司、德國(guó)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(guó)家都在研究水電解制氫技術(shù)。加拿大多倫多電解槽有限公司主要生產(chǎn)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(tái)3350m3/h制氫設(shè)備。美國(guó)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(zhì)制氫（氧）裝置。工業(yè)電解槽的發(fā)展具有代表性的是美國(guó)的德利戴恩公司和德國(guó)的魯奇公司。美國(guó)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(shù)。在1971年，該公司取得了Allis-Chalmers公司的技術(shù)后，在隔膜和電極方面作了些改進(jìn)，生產(chǎn)小型、中型和大型三種型號(hào)的水電解制氫設(shè)備。小型電解槽的產(chǎn)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(dá)99.9%，電解液為25%的KOH溶液，采用自然循環(huán)，不要求循環(huán)泵。氫氣主要用作生產(chǎn)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(chǎn)氫量為0.3~12m3/h，亦為自然循環(huán)，采用程序控制并設(shè)有聲光報(bào)警系統(tǒng)。氫氣純度達(dá)99.998%（帶干燥裝置），系統(tǒng)的工作壓力為0.7MPa，環(huán)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(chǎn)氫量為28~42m3/h，采用微機(jī)全自控，并能連續(xù)監(jiān)測(cè)各種運(yùn)行參數(shù)，采用強(qiáng)制循環(huán)。其主要技術(shù)參數(shù)是：工作壓力為0.42~0.91MPa，氫氣純度達(dá)99.998%（帶干燥裝置），直流電耗為6.4Kwh/m3H2；德國(guó)魯奇（Lurgi）公司主要生產(chǎn)大型的工業(yè)水電解制氫裝置，產(chǎn)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(wǎng)為壓制的金屬網(wǎng)，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(tǒng)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(tǒng)可隨著氫儲(chǔ)罐壓力的升高自動(dòng)的調(diào)節(jié)直流電流的大小來調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量。

2．我國(guó)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從小到大、從常壓到加壓、從手動(dòng)控制到PLC全自動(dòng)控制的發(fā)展歷程。1985年以前，我國(guó)工業(yè)水電解制氫裝置以常壓設(shè)備為主。1985年以后，我國(guó)水電解制氫裝置得到了飛速發(fā)展，逐漸以加壓設(shè)備取代了常壓水電解制氫裝置?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)幾家主要從事制氫裝置生產(chǎn)的公司，均是通過718所取得的生產(chǎn)技術(shù)，故下面著重介紹一下718所水電解制氫技術(shù)的研制和發(fā)展概況。上個(gè)世紀(jì)60年代，718所為國(guó)防軍工建設(shè)開始水電解制氫技術(shù)的研究。1979年，開始承擔(dān)民品任務(wù)，開發(fā)成功了國(guó)家氣象局2m3/h氣象制氫裝置。目前，全國(guó)的所有氣象臺(tái)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(chǔ)上開發(fā)研制出我國(guó)首臺(tái)采用可編程控制的加壓水電解制氫裝置，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；1994年，成功地開發(fā)出微機(jī)全自動(dòng)控制的80m3/h制氫裝置，性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平；1997年，通過與挪威海德魯公司的技術(shù)合作，研制成功了無石棉隔膜電解槽，得到了國(guó)際市場(chǎng)的通行證。上個(gè)世紀(jì)90年代，已大量出口到歐洲市場(chǎng)。新世紀(jì)的到來，718所面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。除加強(qiáng)新產(chǎn)品的開發(fā)力度外，同時(shí)利用國(guó)家的保障條件建設(shè)，增添了許多大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)備，為軍品科研和民品開發(fā)增添了新的活力。2000年，開發(fā)研制成功當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)產(chǎn)氣量最大的250m3/h的制氫裝置，出口伊朗；2001年，研制開發(fā)成功電廠專用無人值守的一體化制氫裝置。目前，全國(guó)所有的火電廠60%-70%都配備了該型裝置；2002年，研制開發(fā)成功我國(guó)首臺(tái)集裝式水電解制氫設(shè)備，不需廠房，整套設(shè)備集中裝在集裝箱內(nèi)，形成獨(dú)立的氫站；2003年，研制開發(fā)成功產(chǎn)氣量為350m3/h的制氫裝置，再創(chuàng)中國(guó)之最。目前已成為多晶硅生產(chǎn)廠家的首選機(jī)型，擁有全國(guó)一半以上的市場(chǎng)份額；2004年，研制開發(fā)成功1.5m3/h車載式水電解制氫設(shè)備，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，在神舟系列發(fā)射、512汶川大地震、奧保、國(guó)慶60年安保等活動(dòng)的氣象保障工作中發(fā)揮了重要的作用；2008年，研制開發(fā)成功產(chǎn)氣量為600m3/h的制氫裝置，使用了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(guó)水電解制氫技術(shù)成功的站在世界的最前端。由于設(shè)備成本的大幅度降低，也使大規(guī)模制氫的模式成為可能。SPE水電解制氫技術(shù)是當(dāng)今世界電解效率最高的一種制氫技術(shù)，目前，只有美、日等幾個(gè)國(guó)家掌握了此技術(shù)。不管是軍用還是民用都具有廣闊的發(fā)展前景。作為國(guó)內(nèi)唯一從事水電解制氫技術(shù)研究的專業(yè)科研院所，718所從上個(gè)世紀(jì)80年代初，就一直跟蹤國(guó)外的發(fā)展概況，經(jīng)過多年的調(diào)研和技術(shù)論證，于上個(gè)世紀(jì)末立題，開展SPE技術(shù)的研究。經(jīng)過十幾年的研發(fā)，目前已取得了突破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)的電解石棉布是水電解制氫裝置質(zhì)量的保證。傳統(tǒng)石棉隔膜，當(dāng)操作溫度超過90℃時(shí)，石棉隔膜的腐蝕率也上升，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，降低機(jī)械強(qiáng)度，造成氣體純度下降，裝置壽命縮短，嚴(yán)重的還會(huì)造成重大安全隱患。石棉是致癌物，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已頒布法令禁止使用。石棉原料礦儲(chǔ)量有限，近年來，優(yōu)質(zhì)原料已越來越少，總產(chǎn)量已不能滿足國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)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(fā)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(jīng)過幾年的努力，取得了階段性的進(jìn)展。2007年研制出具有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無石棉隔膜，應(yīng)用到產(chǎn)氫量從0.5立方每小時(shí)到600立方每小時(shí)的各種型號(hào)的裝置上，數(shù)量近百臺(tái)，經(jīng)過兩年來的運(yùn)行，各項(xiàng)性能穩(wěn)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，徹底打破了國(guó)外的壟斷。開發(fā)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(yīng)用，通過提高操作溫度來改進(jìn)電解槽的效率，降低制氫成本，是發(fā)展高效先進(jìn)電解槽的必由之路。四十多年來，718所在該領(lǐng)域已取得數(shù)十項(xiàng)國(guó)家專利，廣泛應(yīng)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(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。

三、水電解制氫技術(shù)的應(yīng)用和意義

1．傳統(tǒng)行業(yè)

水電解制氫技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)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(nóng)藥的生產(chǎn)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(hù)氣，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，簡(jiǎn)化工序；在電子工業(yè)方面，主要用于半導(dǎo)體的加工；在浮法玻璃生產(chǎn)、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(fā)電機(jī)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(yīng)用氫氣。

2．新能源領(lǐng)域

氫氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用將得到快速的發(fā)展。我國(guó)已在北京、上海等地先后建立起了汽車加氫站。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，到上海世博會(huì)期間氫能汽車將達(dá)到千輛。2003年3月，挪威公司采用718所研制的水電解制氫設(shè)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(shí)現(xiàn)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(yùn)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(guó)漢堡和柏林建立加氫站。

3．新能源轉(zhuǎn)化利用

氫氣的應(yīng)用不僅限于上述幾個(gè)方面。由于能源危機(jī)，氫氣作為一種新型能源受到人們的普遍重視。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，盡管可以從煤、天然氣和石油等原料中制取廉價(jià)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(jié)能減排，限制溫室效應(yīng)，保護(hù)地球，保護(hù)我們的家園，已成為全世界人們的共識(shí)。水電解制氫技術(shù)在水電站、風(fēng)力發(fā)電和核電站也具有廣闊的應(yīng)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(fēng)能-氫能發(fā)電站。利用島上豐富的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，再利用剩余電力生產(chǎn)氫氣，在低谷時(shí)再利用氫進(jìn)行發(fā)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(fā)電站也采用了718所研制的水電解制氫設(shè)備。

四、氫能利用發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代即將到來。世界各國(guó)都在加快涉足氫能開發(fā)和利用。國(guó)外氫能的發(fā)展不再單純停留在技術(shù)領(lǐng)域上，已產(chǎn)生了“氫能經(jīng)濟(jì)”新經(jīng)濟(jì)模式的理念。按照美國(guó)氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國(guó)將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。在這一階段氫能將最終取代石化能源成為市場(chǎng)上最廣泛使用的終端能源。中國(guó)的中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略也把氫能列為重點(diǎn)之一，有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)表現(xiàn)出了極大的熱情。目前我國(guó)已在制氫技術(shù)、儲(chǔ)氫材料和氫能利用等方面進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，擁有一批氫能領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中有些研究工作已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)地域遼闊，能源轉(zhuǎn)換離不開氫能。我國(guó)有豐富的太陽能、風(fēng)能資源，通過電解水轉(zhuǎn)換成氫氣進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存、運(yùn)輸，有效的解決峰谷、傳輸和電網(wǎng)波動(dòng)問題，可能是最佳途徑之一。我國(guó)南部和西南地區(qū)勢(shì)能差大，水資源豐富，水電發(fā)達(dá)，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(zhì)能等新能源的發(fā)展目前看也離不開水電解制氫技術(shù)。所有嘗試目前都已取得了一定的進(jìn)展。

五、結(jié)束語

能源短缺，尋找新型能源是全人類的共識(shí)。氫能源將成為21世紀(jì)新型能源的一顆新星。水電解制氫技術(shù)也面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，提高水電解制氫效率，降低制氫成本，發(fā)展高效水電解制氫技術(shù)是我所的當(dāng)務(wù)之急。我所愿意與全國(guó)的同行共同開發(fā)高效水電解制氫技術(shù)，為我國(guó)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展攜手前進(jìn)。