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，對氫氣的需求量也在逐年的增加。據(jù)美國氫氣協(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(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)先的國家之一。

二、工業(yè)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展概況

1．國外水電解制氫技術(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(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(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．我國水電解制氫技術(shù)的發(fā)展

我國水電解制氫技術(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，我國工業(yè)水電解制氫裝置以常壓設(shè)備為主。1985年以后，我國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)成功了國家氣象局2m3/h氣象制氫裝置。目前，全國的所有氣象臺(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，得到了國際市場的通行證。上個(gè)世紀(jì)90年代，已大量出口到歐洲市場。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，擁有全國一半以上的市場份額；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)展趨勢預(yù)測

“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代即將到來。世界各國都在加快涉足氫能開發(fā)和利用。國外氫能的發(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。按照美國氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國將走進(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上最廣泛使用的終端能源。中國的中長期科學(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)到國際先進(jìn)水平。我國地域遼闊，能源轉(zhuǎn)換離不開氫能。我國有豐富的太陽能、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。我國南部和西南地區(qū)勢能差大，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。我所愿意與全國的同行共同開發(fā)高效水電解制氫技術(shù)，為我國水電解制氫技術(shù)的發(fā)展攜手前進(jìn)。