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宋?超?謝淑賢?張榮順

（中車山東風(fēng)電有限公司，山東濟(jì)南  250000）

 

摘?要：隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，尋找清潔、可持續(xù)的能源生產(chǎn)和利用方式已經(jīng)成為重要任務(wù)。電解水制氫是一種將水分解為氫氣（H₂）和氧氣（O₂）的化學(xué)過程，通常使用電能促使這一反應(yīng)發(fā)生。本文旨在深入探討電解水制氫技術(shù)的應(yīng)用意義，并分析電解水制氫技術(shù)在電力行業(yè)、化工工業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)和公共交通等領(lǐng)域的具體應(yīng)用，希望能為相關(guān)研究人員提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：電解水制氫；應(yīng)用；意義

中圖分類號：TQ426 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2024）10-0017-03

 

0 引言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮脑黾雍蛯剂吓欧诺年P(guān)注，電解水制氫技術(shù)變得越來越重要，被視為未來氫能源經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵組成部分。基于此，探討電解水制氫的基本原理和機(jī)制及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，通過深入了解電解水制氫的原理和應(yīng)用，相關(guān)研究人員可以更好地理解電解水制氫在可持續(xù)能源領(lǐng)域中的潛力，為減緩氣候變化和實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

1 電解水制氫技術(shù)概述

H₂作為一種清潔、高效的能源載體，近年來逐漸受到國際社會的廣泛關(guān)注。電解水制氫的基本原理是通過電解反應(yīng)將水分解為H₂和O₂。當(dāng)外部電壓作用于兩個浸入水中的電極時，水會發(fā)生分解。在陽極（通常由氧化材料制成），水分子失去電子，產(chǎn)生O₂和質(zhì)子。而在陰極（通常由還原材料制成），質(zhì)子得到電子，生成H₂。在當(dāng)前技術(shù)體系下，電解水制氫的主要方式有以下幾種。

（1）堿性電解水（AWE/ALK）是一種技術(shù)相對成熟的制氫方法，主要利用Ni、Co、Mn等非貴金屬作為催化劑。AWE技術(shù)成熟，成本較低，但其制氫過程中可能產(chǎn)生的堿液和水蒸氣會降低氫氣純度，因此需要額外的純化步驟^[1]。（2）質(zhì)子交換膜水解（PEM）以高電流密度、小電解槽體積和運(yùn)行靈活性而受到關(guān)注，與風(fēng)電和光伏等可再生能源比較匹配。盡管早期制氫成本較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這一方法的成本逐漸下降。（3）固體聚合物陰離子交換膜（AEM）和固體氧化物（SOE）水解兩種方法目前仍處于研發(fā)和初步示范階段，面臨的主要挑戰(zhàn)是技術(shù)突破，因此短期內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化仍然具有一定難度。

2 電解水制氫技術(shù)的應(yīng)用意義

2.1清潔能源生產(chǎn)

電解水制氫技術(shù)在清潔能源生產(chǎn)領(lǐng)域擁有巨大潛力。具體而言，采用石化工藝從化石燃料中提取H₂等生產(chǎn)方法，會釋放大量CO₂等溫室氣體。相比之下，電解水制氫技術(shù)通過電解水分解為H₂和O₂，不產(chǎn)生任何溫室氣體排放，使電解水制氫成為能源的潛在替代方案，有助于減緩氣候變化、提高大氣質(zhì)量、降低對化石燃料的依賴。另外，太陽能和風(fēng)能等可再生能源具有波動性，其能源產(chǎn)出會隨著天氣條件的變化而波動。電解水制氫技術(shù)可以將多余的可再生電能用于水電解，將電能轉(zhuǎn)化為H₂^[2]。在此背景下，H₂成為可儲存的能源形式，能夠在不同時間段和地點釋放，以滿足能源需求，有助于解決可再生能源波動性帶來的挑戰(zhàn)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)能源資源存在有限性和地緣政治風(fēng)險，而電解水制氫技術(shù)可以減少對這些資源的依賴。使用可再生能源進(jìn)行水電解，可以減少對進(jìn)口能源的依賴，提高能源的自給自足程度。同時，電解水制氫技術(shù)具備分散性，可以在不同地點生產(chǎn)H₂，有助于應(yīng)對自然災(zāi)害和供應(yīng)中斷等問題。

2.2 儲能與能源轉(zhuǎn)換

電解水制氫技術(shù)在儲能與能源轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。具體而言，電解水制氫技術(shù)能夠為高效能源儲存提供可行性。H₂在化學(xué)反應(yīng)中可以存儲大量的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的電池技術(shù)。因此，電解水制氫允許將電能轉(zhuǎn)化為H₂，并將其儲存起來以備不時之需，可以有效解決可再生能源的波動性問題。將多余的可再生電能用于電解水制氫，能夠有效平衡供需差異，提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電解水制氫技術(shù)在能源轉(zhuǎn)換與多能互補(bǔ)方面具有巨大潛力。H₂可以作為能源中介，實現(xiàn)電能、熱能和化學(xué)能之間的高效轉(zhuǎn)換。例如，H₂可以用于供熱或工業(yè)過程中，也可以在燃料電池中轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動電動車輛或發(fā)電機(jī)。多能互補(bǔ)的特性使H₂在不同領(lǐng)域之間實現(xiàn)能源的靈活轉(zhuǎn)化，有助于提高能源利用效率，減少不必要的資源浪費(fèi)。

此外，電解水制氫技術(shù)在可持續(xù)交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。氫燃料電池車輛使用H₂作為燃料，可以實現(xiàn)零排放和零噪聲，為城市空氣質(zhì)量提高提供了可能性。通過電解水制氫，可以為車輛提供可持續(xù)的H₂源，促進(jìn)清潔交通的發(fā)展，對減少交通領(lǐng)域?qū)κ秃推渌邢拶Y源的依賴、降低碳排放具有重要意義。

3 電解水制氫技術(shù)的具體應(yīng)用 

3.1電解水制氫技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用

電解水制氫作為一種先進(jìn)技術(shù)，在電力行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。與鋰離子電池等傳統(tǒng)能源存儲方式相比，電解水制氫具有更長的壽命、更高的存儲容量以及無需稀有材料等優(yōu)點。在電力行業(yè)，電解水制氫技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能源存儲、峰谷電價優(yōu)化和電網(wǎng)調(diào)頻。

（1）能源存儲與調(diào)度。隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源的快速發(fā)展，有效存儲間歇性能源、確保穩(wěn)定供應(yīng)至關(guān)重要。電解水制氫技術(shù)可以作為一種有效的能源存儲手段，將電能轉(zhuǎn)化為H₂，并存儲在特定的壓力容器中^[3]。研究數(shù)據(jù)顯示，目前最大的電解水設(shè)備可以產(chǎn)生5000m³/h的氫氣，系統(tǒng)效率可以達(dá)到70%左右。而H₂存儲容量是鋰離子電池的300倍，意味著電解水制氫技術(shù)具有巨大的潛力，可以滿足長時間、大容量的能源存儲需求。

（2）峰谷電價下的優(yōu)化是電解水制氫技術(shù)的重要應(yīng)用。傳統(tǒng)電網(wǎng)往往在夜間或非高峰時段存在電量過剩的問題，而在日間高峰時段則可能出現(xiàn)電量不足的問題。電解水制氫技術(shù)可以在低電價時段進(jìn)行電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為H₂并存儲起來。在高峰時段，通過燃?xì)浒l(fā)電，將存儲的H₂再轉(zhuǎn)化為電能。據(jù)統(tǒng)計，電解水制氫技術(shù)的成本在最近幾年已經(jīng)下降了30%，使峰谷電價下的優(yōu)化策略變得經(jīng)濟(jì)可行。

（3）電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與調(diào)頻是電解水制氫技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)頻手段往往需要通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出實現(xiàn)，但這種方式反應(yīng)速度慢、效率低。而電解水設(shè)備可以實現(xiàn)快速響應(yīng)，幫助電網(wǎng)在短時間內(nèi)調(diào)整電力輸出。通常情況下，電解水設(shè)備的響應(yīng)時間可以達(dá)到10毫秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的調(diào)頻手段，不僅能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，也可以減少由于電網(wǎng)頻率波動導(dǎo)致的設(shè)備損壞和能源浪費(fèi)。

3.2電解水制氫技術(shù)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

在化工領(lǐng)域，H₂是一種關(guān)鍵的原料。傳統(tǒng)H₂大多是通過天然氣重整或煤炭氣化獲得的，其過程中將產(chǎn)生大量的碳排放。電解水制氫技術(shù)為化工領(lǐng)域提供了一種低碳、可持續(xù)的H₂來源，正在逐漸改變化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式。

（1）在合成氨生產(chǎn)中，H₂是不可缺少的原料。每年全球的合成氨產(chǎn)量超過1.5×10⁸t，需要大量H₂。傳統(tǒng)的H₂生產(chǎn)方式不僅碳排放量大，而且受到天然氣價格的影響，經(jīng)常出現(xiàn)價格波動。而電解水制氫技術(shù)可以提供穩(wěn)定、低碳的H₂供應(yīng)。相關(guān)研究顯示，采用現(xiàn)代的PEM電解技術(shù)，電解效率可以達(dá)到80%以上，有效降低了合成氨的生產(chǎn)成本。

（2）高純度H₂的需求在半導(dǎo)體制造、冶金、制藥等化工工業(yè)行業(yè)較普遍。傳統(tǒng)的H₂生產(chǎn)方法往往需要復(fù)雜的純化步驟，而電解水技術(shù)制取的H₂純度通常可以達(dá)到99.9%或更高。高純度的H₂不僅可以滿足化工工業(yè)需求，而且能夠減少額外的純化步驟，降低生產(chǎn)成本。

（3）在精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)中，H₂作為還原劑具有廣泛應(yīng)用。例如，在部分有機(jī)合成反應(yīng)中，H₂可以幫助還原醇、醛或酮等有機(jī)物，產(chǎn)生所需化學(xué)品。電解水制氫技術(shù)可以直接為這些反應(yīng)提供所需的H₂，無須依賴外部供應(yīng)。

（4）隨著綠色化學(xué)和可持續(xù)化學(xué)的發(fā)展，生產(chǎn)發(fā)展對低碳和可再生能源H₂來源的需求也在增加。電解水制氫技術(shù)恰好滿足相關(guān)需求，不僅可以提供H₂，還能夠作為能量存儲和轉(zhuǎn)化的媒介，使化工生產(chǎn)過程更可持續(xù)^[3]。

3.3 電解水制氫技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中對H₂的需求巨大，而電解水制氫技術(shù)為工業(yè)領(lǐng)域提供了一種新型、高效且環(huán)境友好的H₂生產(chǎn)方法。由于其獨特的技術(shù)性能和可持續(xù)性，電解水制氫技術(shù)在多種工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中都展現(xiàn)出了巨大的潛力和價值，具體應(yīng)用涵蓋以下層面。

（1）在鋼鐵生產(chǎn)過程中，H₂是有潛力替代焦炭的還原劑。傳統(tǒng)意義上，煉鐵過程需要使用大量的焦炭作為還原劑，這一過程排放大量的CO₂。但隨著“氫煉鋼”的研究和試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)利用電解水制取的H₂可以作為還原氣體，減少CO₂排放^[4]。利用H₂煉鋼的方法，每生產(chǎn)1t鋼就可以減少近2t CO₂排放。

（2）在玻璃和陶瓷制造中，H₂在部分特殊的加熱和燒結(jié)過程中被用作還原劑和保護(hù)氣體。利用電解水制氫技術(shù)，可以得到純凈度高、無雜質(zhì)的H₂，有效保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。例如，在浮法玻璃生產(chǎn)中，利用高純度H₂作為保護(hù)氣體，可以確保玻璃表面的光潔度和光學(xué)性能^[5]。

（3）在紡織和紙漿工業(yè)中，傳統(tǒng)的染料生產(chǎn)和固化過程往往需要大量的熱能，而通過電解水制得的H₂可以作為清潔燃料，為高溫過程提供所需的能量。例如，標(biāo)準(zhǔn)棉質(zhì)紡織品染色過程可能需要溫度達(dá)到100℃，如果采用氫燃燒提供熱量，可以有效減少碳排放。通常情況下，傳統(tǒng)的燃料為染料固化所需的能量大約是15MJ/kg，利用氫能源可以將這一數(shù)字降至10MJ/kg，顯著提高能源效率。同時，紙漿工業(yè)漿液制備過程需要的溫度為170℃，而傳統(tǒng)的蒸氣加熱方法效率較低，碳足跡較高。利用H₂作為熱源，可以有效提高溫度，減少碳排放。紙張的干燥過程也可以通過氫燃料燃燒產(chǎn)生的熱量加速。通常情況下，利用H₂替代傳統(tǒng)熱源，紙漿工業(yè)的能效可以提高10%～15%^[6]。此外，在紡織和紙漿工業(yè)中，電解水制氫技術(shù)有助于生產(chǎn)過程中的化學(xué)還原。例如，在紡織工業(yè)的漂白和染色過程中，H₂可以作為高效的還原劑，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)還原劑。而在紙漿工業(yè)中，H₂可被用于還原難以處理的有機(jī)物，提高紙漿的純凈度和質(zhì)量^[7]。

3.4 電解水制氫技術(shù)在公共交通中的應(yīng)用

公共交通領(lǐng)域正面臨關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，電解水制氫技術(shù)提供的氫能源正在成為綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動力。基于電解水制氫技術(shù)得到的H₂，經(jīng)過進(jìn)一步壓縮和存儲，可用于驅(qū)動燃料電池車，這一技術(shù)在公共交通中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注和積極響應(yīng)。電解水制氫技術(shù)在公共交通中的應(yīng)用具體涵蓋以下層面。

（1）在城市公交領(lǐng)域，新能源公交車已經(jīng)成為多個國家和城市交通的重要組成部分。與傳統(tǒng)的柴油公交車相比，新能源公交車的優(yōu)勢明顯，具有零排放、低噪聲、長續(xù)航里程等優(yōu)點。截至2023年9月，我國已有超過54萬輛燃料電池公交車運(yùn)行，其中大部分使用的H₂來源于電解水技術(shù)，每日行駛超過300km，氫氣消耗約為1.2kg/100km。因此，公共交通領(lǐng)域每天對電解水制氫技術(shù)的需求高達(dá)數(shù)千噸。

（2）地鐵和輕軌軌道交通也開始探索采用燃料電池技術(shù)。在地理環(huán)境復(fù)雜、電網(wǎng)難以到達(dá)的區(qū)域，燃料電池列車成為可行選擇。以德國的iLint燃料電池列車為例，該列車最高時速可達(dá)140km，每次加注氫氣后可行駛600～800km，幾乎與傳統(tǒng)柴油列車相當(dāng)。iLint列車的燃料電池系統(tǒng)容量為200kW，氫氣存儲罐的工作壓力高達(dá)350bar，每個存儲罐可容納約40kg的H₂。

4 結(jié)語

電解水制氫技術(shù)作為關(guān)鍵的清潔能源生產(chǎn)和儲存技術(shù)，在滿足日益增長的能源需求和應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力和重要意義。通過提供可再生能源儲備、增強(qiáng)能源安全性以及在多個領(lǐng)域的具體應(yīng)用，該技術(shù)有望推動社會發(fā)展朝著可持續(xù)和環(huán)保的方向邁進(jìn)。未來的研究和創(chuàng)新將進(jìn)一步推動電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，使其廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，為全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)作出更大貢獻(xiàn)。

 

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作者簡介：宋超（1976—），男，山東濟(jì)南人，高級工程師，研究方向：化工設(shè)備設(shè)計及制造。

 

Hydrogen Production by Electrolysis of Water and Application

SONG Chao,XIE Shuxian,ZHANG Rongshun

(CRRC Shandong Wind Power Co., Ltd., Jinan  Shandong  250000)

Abstract:With the increasing global energy demand and the increasingly serious environmental problems, it has become an important task to find a clean and sustainable way of energy production and utilization in the world. Hydrogen production by electrolysis of water is a chemical process that decomposes water into hydrogen (H₂) and oxygen (O₂). Electric energy is usually used to promote this reaction. The purpose of this study is to deeply explore the application significance of electrolytic water hydrogen production technology, and to analyze the specific application of electrolytic water hydrogen production technology in the fields of power industry, chemical industry, industrial production and public transportation, hoping to provide useful reference for relevant researchers.

Key words:electrolysis of water to produce hydrogen;application;meaning