生產(chǎn)“綠色”氫氣的電解槽技術(shù)進展

由于終端用戶希望能受益于二氧化碳大幅減排或零排放，隨著技術(shù)進步和經(jīng)濟性改善，氫氣成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的熱點。

電解槽基本情況現(xiàn)在不少氫氣由水電解而制得，如果所用電能為可再生電力如風能、太陽能等，制氫過程二氧化碳零排放，制得的氫氣便是“綠色”氫氣。近年來，為滿足全球?qū)Α熬G色”氫氣的需求，電解槽產(chǎn)量增長很快。今年6 月德國thyssenkruppindustrial-solutions公司宣布對電解槽生產(chǎn)裝置進行擴能。該公司表示，擴能有利于經(jīng)濟地提高綠氫以及后續(xù)產(chǎn)品氨和甲醇生產(chǎn)的價值鏈。今年早些時候，該公司宣布其電解裝置可以通過德國能源巨頭E.ON 公司的虛擬電廠連接德國電力市場，可以有效地起到穩(wěn)定電網(wǎng)的緩沖作用。要達到這個目的，電解槽必須要達到一些與負載變化相關(guān)的質(zhì)量標準，證明其有足夠的反應速度和靈活性來參與平衡能源市場。

現(xiàn)在市場上主要有堿液電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）兩種，其他一些如陰離子交換膜（AEM）、固體氧化物電解槽電池（SOEC）、光電化學水分解（PEC）等技術(shù)都處于研發(fā)階段。堿液電解是更為成熟的技術(shù)，堿液電解槽價格也低廉些。但質(zhì)子交換膜電解槽因為對電力變化反應更快而具附加價值；此外，交換膜將氫氣和氧氣物理隔開，因而安全性更好。

降低成本與提高性能同傳統(tǒng)的天然氣經(jīng)蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化制氫（SMR）相比，電解槽技術(shù)進步使電解制氫越來越具吸引力。美國Nel 氫氣公司稱，過去2～3 年中，電解槽制造成本下降幅度高達75%。傳統(tǒng)的SMR 制氫工藝每生產(chǎn)1 噸氫氣會產(chǎn)生10～12噸二氧化碳，現(xiàn)在采用低成本可再生電力可以零排放生產(chǎn)綠色氫氣。電解槽制造商的目標是達到“化石平價”，即電解制氫價格能與天然氣SMR制氫持平。Nel 公司正努力提高電解槽的效率和性能，如減少PEM催化劑中的貴金屬、改進堿液系統(tǒng)中的電極工藝等。

SMR制氫與水電解制氫進行經(jīng)濟性比較時，地理位置是一個重要的影響因素。在一些當?shù)靥烊粴赓Y源匱乏SMR裝置，天然氣需要從外運輸供應；或氫氣要通過長管拖車或是以液化形式用罐車運輸，效率很低。對于需要大量用氫的合成氨裝置、甲醇裝置和石油煉制裝置，現(xiàn)場制氫供氫就非常具有吸引力。盡管SMR仍是目前使用最普遍的技術(shù)，但電解制氫效率高、操作彈性大，而且易于擴能，很多化學品生產(chǎn)廠正轉(zhuǎn)向用電解制氫來增加制氫能力和裝置柔性。

Nel公司正在開展一系列氫氣應用的中試試驗，旨在幫助裝置轉(zhuǎn)向“綠氫”。許多合成氨生產(chǎn)商都關(guān)注著電解制氫的試驗結(jié)果。Nel 在明尼蘇達有一套風電—氨項目已運行了幾年，還有一些項目在推進中。

Nel公司是H2@Scale基金資助的公司之一，該基金由美國能源署設立，由美國能源效率與可再生能源（EERE）辦公室氫氣和燃料電池技術(shù)辦公室（HFTO）負責資金發(fā)放。今年7月，共向18個項目發(fā)放了6 400 萬美元，以期達到提升美國氫氣生產(chǎn)經(jīng)濟性的目的，其中1 500 萬美元投向了電解槽制造技術(shù)方面。電解槽的一個優(yōu)勢就是對間歇式的可再生電力如風能、太陽能具有較好的適應性。對于電解槽技術(shù)研發(fā)，H2@Scale的主要目標是提高效率和壽命，同時降低總成本。

電解槽技術(shù)現(xiàn)在研發(fā)趨勢是整體開發(fā)，不同以往僅在某個方面如催化劑或膜等方面做些改進，而是關(guān)注整個工藝和整體材料的開發(fā)，以及如何將各方面進展整合進行大規(guī)模制造。其他開發(fā)重點有膜涂層技術(shù)、簡化膜制造；優(yōu)化多孔輸送層；降低貴金屬用量。此外，H2@Scale還首次在美國布置了兩個核能—氫氣項目。HFTO 負責人稱，給水質(zhì)量是另一個新的研究領(lǐng)域。H2@Scale 有幾個處于初級階段的項目，探索采用污水或海水而非高純凈水進行電解。

氫氣與天然氣的協(xié)同是另一個新熱點，特別是將氫氣與天然氣摻混。但氫氣與天然氣摻混，所用材料對其兼容性是個問題，現(xiàn)在很多研究機構(gòu)都在開展氫氣對金屬和樹脂的脆裂性影響研究。

PEM電解技術(shù)進展德國Hoeller電解槽公司開發(fā)了一種用于小型PEM 電解槽的優(yōu)化電池表面技術(shù)，這種技術(shù)可以減少貴金屬用量、提高操作壓力，其電池堆可根據(jù)需求設計。PEM水電解的主要優(yōu)點是氫氣產(chǎn)量幾乎隨提供的能量同步變化，因此很適合氫氣需求量變化的工藝。Hoeller公司的電池堆可以對額定載荷0～100%之間的變化在幾秒內(nèi)做出反應。Hoeller的這個專利技術(shù)已進行了概念驗證性試驗，并將在2020年底建試驗裝置。

AEM電解AEM在某種程度上是PEM和傳統(tǒng)的隔膜基堿液電解的混合。堿液電解可以采用較為低廉的材料，如不銹鋼、鎳等，而PEM因為其酸性環(huán)境，需要用鉑等貴金屬材料作催化劑，而且其電化學池要用鈦金屬材料，因此投資成本要高許多。不過，堿液電解電流密度和效率受限，一般需要另加一個加壓步驟，PEM系統(tǒng)則克服了這個不足。AEM的主要挑戰(zhàn)在于要開發(fā)一種能耐堿性環(huán)境、合適的聚合物膜材料。除了耐堿性環(huán)境外，這種聚合物材料還必須具有較高的離子導電率，以及電解槽加壓后的抗壓穩(wěn)定性。德國Evonik工業(yè)公司在其現(xiàn)有的氣體分離膜技術(shù)的基礎上，開發(fā)了一種專利聚合物材料。Evonik正在放大這種聚合物生產(chǎn)并在一個中試線上擴大膜生產(chǎn)，下一步是驗證系統(tǒng)的可靠性并提高電池堆規(guī)格，同時擴大膜生產(chǎn)。

氫氣后加工 電解生產(chǎn)的氫氣還需要進行壓縮、脫水、提純等加工。根據(jù)純凈度的要求，氫氣在終端應用前還有幾個步驟，第一步一般是采用分離罐將氫氣純度提高到99.9%，進一步提高純度就需要采用分子篩。氫氣壓縮也有諸多挑戰(zhàn)。隨著“綠色”氫氣和電解槽需求增長，電解技術(shù)以及氫氣后加工技術(shù)都在不斷進步。