工业水电技术探析

一、解制氢技术

1．水电解制氢技术的发展轨迹

自从1800年尼尔森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术得到了飞速的发展。但在上个世纪50年代初期，人们开始从碳氢化合物中制取大量廉价的氢气，使水电解制氢技术的发展受到了一定的限制。从1955年~1975年二十年间，采取水电解制氢方式得到的氢气不足世界氢气总产量的2%，水电解槽的销量也极度萎缩，水电解制氢技术的研制仅集中在宇航和军用装置上。

2．水电解制氢技术的发展目标

近二十年来，由于工业生产的飞速发展和能源的日渐短缺，氢气的应用领域越来越广，对氢气的需求量也在逐年的增加。据美国氢气协会分析，2007年全球年生产氢气超过5000万吨，氢能作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。因此专家普遍认为，氢能的大量利用将在10多年后。因此，水电解制氢技术的开发与研制受到各国政府的越来越高的重视与支持。近年来，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，把发展氢能源作为21世纪新能源的战略目标。目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。

二、工业水电解制氢技术的发展概况

1．国外水电解制氢技术的发展

世界上有数十家公司和科研单位在研究和开发水电解制氢技术，并取得了很大进展。如：加拿大的多伦多电解槽有限公司、美国的德利戴恩和通用电气公司、德国的鲁奇公司、意大利米兰的DeNera公司、挪威的海德鲁公司和日本的阳光制造所，以及英、法等国家都在研究水电解制氢技术。加拿大多伦多电解槽有限公司主要生产箱式单极电解槽，挪威的海德鲁公司和意大利米兰的DeNera公司以大型常压电解槽为主，意大利曾为印度建造一台3350m3/h制氢设备。美国的通用电气公司主要为宇航和核潜艇研制固体聚合物电解质制氢（氧）装置。工业电解槽的发展具有代表性的是美国的德利戴恩公司和德国的鲁奇公司。美国的德利戴恩（Teledyne）公司该公司直到1967年才开始研制燃料电池和电解制氢技术。在1971年，该公司取得了Allis-Chalmers公司的技术后，在隔膜和电极方面作了些改进，生产小型、中型和大型三种型号的水电解制氢设备。小型电解槽的产量为0.3~0.6m3/h，工作温度在56~110℃之间，工作压力在0.2~0.7MPa，氢气纯度达99.9%，电解液为25%的KOH溶液，采用自然循环，不要求循环泵。氢气主要用作生产气体色谱仪的载气和火燃离子仪的燃料气体；中型电解槽的产氢量为0.3~12m3/h，亦为自然循环，采用程序控制并设有声光报警系统。氢气纯度达99.998%（带干燥装置），系统的工作压力为0.7MPa，环境温度为5~49℃，单位直流电耗为5.3~6.1Kwh/m3H2；所谓大型电解槽的产氢量为28~42m3/h，采用微机全自控，并能连续监测各种运行参数，采用强制循环。其主要技术参数是：工作压力为0.42~0.91MPa，氢气纯度达99.998%（带干燥装置），直流电耗为6.4Kwh/m3H2；德国鲁奇（Lurgi）公司主要生产大型的工业水电解制氢装置，产氢量通常在110~750m3/h。电解槽采用压制的石棉隔膜，电极为镀镍钢板，副极网为压制的金属网，槽体的密封材料采用聚四氟乙烯，电解液为25%的KOH溶液，系统的工作压力为3.0MPa，工作温度在90℃，小室电压1.9V，单位直流电耗为4.3~4.6Kwh/m3H2。制氢系统可随着氢储罐压力的升高自动的调节直流电流的大小来调节产氢量。

2．我国水电解制氢技术的发展

我国水电解制氢技术的发展，经历了从小到大、从常压到加压、从手动控制到PLC全自动控制的发展历程。1985年以前，我国工业水电解制氢装置以常压设备为主。1985年以后，我国水电解制氢装置得到了飞速发展，逐渐以加压设备取代了常压水电解制氢装置。现在国内几家主要从事制氢装置生产的公司，均是通过718所取得的生产技术，故下面着重介绍一下718所水电解制氢技术的研制和发展概况。上个世纪60年代，718所为国防军工建设开始水电解制氢技术的研究。1979年，开始承担民品任务，开发成功了国家气象局2m3/h气象制氢装置。目前，全国的所有气象台站，基本都配置了718所的气象制氢装置；1985年，在原来军品的基础上开发研制出我国首台采用可编程控制的加压水电解制氢装置，填补了国内空白；1994年，成功地开发出微机全自动控制的80m3/h制氢装置，性能达到了世界先进水平；1997年，通过与挪威海德鲁公司的技术合作，研制成功了无石棉隔膜电解槽，得到了国际市场的通行证。上个世纪90年代，已大量出口到欧洲市场。新世纪的到来，718所面临新的机遇和挑战。除加强新产品的开发力度外，同时利用国家的保障条件建设，增添了许多大型实验设施和生产设备，为军品科研和民品开发增添了新的活力。2000年，开发研制成功当时国内产气量最大的250m3/h的制氢装置，出口伊朗；2001年，研制开发成功电厂专用无人值守的一体化制氢装置。目前，全国所有的火电厂60%-70%都配备了该型装置；2002年，研制开发成功我国首台集装式水电解制氢设备，不需厂房，整套设备集中装在集装箱内，形成独立的氢站；2003年，研制开发成功产气量为350m3/h的制氢装置，再创中国之最。目前已成为多晶硅生产厂家的首选机型，拥有全国一半以上的市场份额；2004年，研制开发成功1.5m3/h车载式水电解制氢设备，机动性强，在神舟系列发射、512汶川大地震、奥保、国庆60年安保等活动的气象保障工作中发挥了重要的作用；2008年，研制开发成功产气量为600m3/h的制氢装置，使用了自主知识产权的无石棉隔膜，攻克了操作温度制约的瓶颈，有效降低了能耗，使我国水电解制氢技术成功的站在世界的最前端。由于设备成本的大幅度降低，也使大规模制氢的模式成为可能。SPE水电解制氢技术是当今世界电解效率最高的一种制氢技术，目前，只有美、日等几个国家掌握了此技术。不管是军用还是民用都具有广阔的发展前景。作为国内唯一从事水电解制氢技术研究的专业科研院所，718所从上个世纪80年代初，就一直跟踪国外的发展概况，经过多年的调研和技术论证，于上个世纪末立题，开展SPE技术的研究。经过十几年的研发，目前已取得了突破性的进展，实现了工业化应用。优质的电解石棉布是水电解制氢装置质量的保证。传统石棉隔膜，当操作温度超过90℃时，石棉隔膜的腐蚀率也上升，同时还会产生机械变形，降低机械强度，造成气体纯度下降，装置寿命缩短，严重的还会造成重大安全隐患。石棉是致癌物，许多发达国家已颁布法令禁止使用。石棉原料矿储量有限，近年来，优质原料已越来越少，总产量已不能满足国内各生产单位的需求。有些单位无奈之下，降低使用要求，已给许多用户造成损失甚至发生事故。故研制新型的隔膜替代石棉隔膜有着重要的意义。718所2005年立题，经过几年的努力，取得了阶段性的进展。2007年研制出具有自己独立知识产权的无石棉隔膜，应用到产氢量从0.5立方每小时到600立方每小时的各种型号的装置上，数量近百台，经过两年来的运行，各项性能稳定，单位气体能耗比石棉电解槽降低5%以上，取得了良好的社会和经济效益，彻底打破了国外的垄断。开发研制新型电极催化材料，提高电流密度，提高电解槽效率，配合无石棉隔膜的应用，通过提高操作温度来改进电解槽的效率，降低制氢成本，是发展高效先进电解槽的必由之路。四十多年来，718所在该领域已取得数十项国家专利，广泛应用于电子、电力、冶金、化工、建材、新能源、宇航、气象和军用工程，为国家的经济建设做出了贡献。

三、水电解制氢技术的应用和意义

1．传统行业

水电解制氢技术在工业上的应用已有近百年的历史。在化工方面，氢气可以用于脂肪和油类的氢化作用，氨的合成，在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢气；在冶金方面，氢气可以用作特种的处理，作为一种保护气，可以提高产品质量，简化工序；在电子工业方面，主要用于半导体的加工；在浮法玻璃生产、人造宝石的加工中也都把氢气作为一种燃烧气体；在电厂，氢气被用做发电机组的冷却剂；液氢是火箭和宇航的重要燃料；在科研和气象方面也广泛的应用氢气。

2．新能源领域

氢气在交通领域的应用将得到快速的发展。我国已在北京、上海等地先后建立起了汽车加氢站。据有关资料报导，到上海世博会期间氢能汽车将达到千辆。2003年3月，挪威公司采用718所研制的水电解制氢设备在冰岛首都雷克雅来克建立起世界第一座加氢站，首次实现了为轿车和公共汽车加氢燃料。该加氢站于2004年4月正式开始运行。2003年5月和2004年11月，挪威公司采用相同方式分别在德国汉堡和柏林建立加氢站。

3．新能源转化利用

氢气的应用不仅限于上述几个方面。由于能源危机，氢气作为一种新型能源受到人们的普遍重视。人们已经认识到，尽管可以从煤、天然气和石油等原料中制取廉价的氢气，但这些原料正在逐年的减少以至枯竭，不得不寻找新的能源。通过水电解制取的氢是理想的“干净”的新能源。节能减排，限制温室效应，保护地球，保护我们的家园，已成为全世界人们的共识。水电解制氢技术在水电站、风力发电和核电站也具有广阔的应用前景。挪威在其西部海岸于特西拉岛（utsira）建造了世界上第一座风能-氢能发电站。利用岛上丰富的风能进行发电，再利用剩余电力生产氢气，在低谷时再利用氢进行发电。满足了岛上居民日常生活用电要求，剩余部分还可以上市。发电站也采用了718所研制的水电解制氢设备。

四、氢能利用发展趋势预测

“氢能经济”时代即将到来。世界各国都在加快涉足氢能开发和利用。国外氢能的发展不再单纯停留在技术领域上，已产生了“氢能经济”新经济模式的理念。按照美国氢能技术路线图，到2040年美国将走进“氢能经济”时代。在这一阶段氢能将最终取代石化能源成为市场上最广泛使用的终端能源。中国的中长期科学和技术发展规划战略也把氢能列为重点之一，有关科研机构和企业表现出了极大的热情。目前我国已在制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开创性的工作，拥有一批氢能领域的知识产权，其中有些研究工作已达到国际先进水平。我国地域辽阔，能源转换离不开氢能。我国有丰富的太阳能、风能资源，通过电解水转换成氢气进行能量的转化和储存、运输，有效的解决峰谷、传输和电网波动问题，可能是最佳途径之一。我国南部和西南地区势能差大，水资源丰富，水电发达，在丰水期可用大量剩余电力通过电解水制取氢。核能、生物质能等新能源的发展目前看也离不开水电解制氢技术。所有尝试目前都已取得了一定的进展。

五、结束语

能源短缺，寻找新型能源是全人类的共识。氢能源将成为21世纪新型能源的一颗新星。水电解制氢技术也面临着新的机遇和挑战，提高水电解制氢效率，降低制氢成本，发展高效水电解制氢技术是我所的当务之急。我所愿意与全国的同行共同开发高效水电解制氢技术，为我国水电解制氢技术的发展携手前进。