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摘要：为了满足社会发展对氢能的需求，实现氢能清洁生产，文章以利用可再生能源为目标导向，探索水电解制氢技术的基本原理和应用要点。水电解制氢技术是氢能制造中利用可再生能源的重要方式，在制氢产业领域占据着重要地位，其能降低制氢产业对传统化石能源的依赖性，利用广泛存在的光伏、风能等可再生能源实现高质量制氢，不仅能提升制氢产能，而且能发挥显著生态效益，建议行业推广和应用水电解制氢技术。

关键词：可再生能源；制氢；水电解制氢

引言：

在“双碳”目标背景下，绿色可再生氢气凭借净零排放的特质，成为构建低碳社会、实现绿色发展的重要途径，与传统使用天然气、煤等化石能源生产的灰氢相比，基于可再生能源的绿氢已经成为制氢行业发展的重要手段，更为交通、化工、电力、钢铁等领域大规模脱碳提供了新的路径[1]。在这一背景下，未来能源体系的发展，将由以新能源为主体的新型电力系统以及以可再生能源制氢为主体的绿氢网络协同组成，其中风、光、水等作为最常见的可再生能源，不仅能向电网供电，还可以用于水电解制氢，经氢能网络向交通、化工等领域输送重要能源。本文旨在改善传统以化石能源为主的灰氢制造技术存在的不足，探索基于可再生能源的水电解制氢技术应用要点。

一、氢气制备与水电解制氢技术

（一）主要氢气制备方法

氢气和传统化石燃料不同，其无法通过长时间积累天然形成，需要采用一定制备方式，通过对特定原料进行提纯和纯化等处理，得到各领域生产所需的氢气产品。在氢气制备过程中，常用制氢方法分为五大类，不同氢气制备方法的应用原理见表1。

（二）水电解制氢技术

水电解制氢技术即将电解质中的水在电流的作用下转化为H2和O2。在化学反应过程中，水在阴极会被电子还原，释放OH-和H2，而在阳极OH-会被氧化，释放出电子、O2和水，其化学反应式如下：

2H2O→2H2+O2

水电解制氢工艺中，主要是利用浸没在电解液中的一对电解，中间设置预防气体渗漏的隔膜组成水电解池，通过施加一定直电流促使水被分解。根据法拉第定律，水电解时在电极上析出的物质的数量和对电解质溶液施加的电流强度成正相关，与通电时间成正相关，其计算公式如下：

式（1）中，m为水电解反应后生成物的质量；Ke为比例系数；M为物质的分子量；n为电子得失数目；F为法拉第常数；I为电流；t为通电时间。

目前，常用水电解制氢技术分为四类，分别为碱性水电解制氢技术（ALK）、质子交换膜水电解制氢技术（PEM）、高温固体氧化物水电解制氢技术（SOEC）和固体聚合物阴离子交换膜水电解制氢技术（AEM），不同类型的水电解制氢技术的主要技术指标见表2[2]。

二、基于可再生能源的水电解制氢技术应用要点

为明确基于可再生能源的水电解制氢技术应用要点，本文以碱性水电解制氢技术为研究对象。但在适配可再生能源时存在电解效率低和缺少灵活性等问题，本文通过对碱性水电解制氢技术工艺进行优化来解决其传统技术工艺存在的不足。基于可再生能源的碱性水电解制氢技术应用要点如下：

（一）电解槽的设置

电解槽是水电解反应装置，是水电解制氢技术的核心。电解槽主要分为槽体、阳极和阴极，中间一般用隔膜将阳/阴极室隔开，在电解槽通过直流电后，阳极和溶液界面处会发生氧化反应，生成大量氧气，而阴极与溶液界面处会发生还原反应，生成大量氢气。在选择电解槽时，工作人员一般可以选择左右槽并/串型结构的电解槽，采用隔膜垫片和双极性极板组成多个电解池，同时在槽内下部设置共用进液口和排污口，上部为氢碱和氧碱等气液体通道。为提高电解效率，降低碱性水电解制氢过程中的电力成本，工作人员需要尽量缩小两电极的间距，优先选择零间隙电解槽，电解槽结构优化情况见图1。

（二）后处理框架设置

后处理框架的作用是提取电解槽中产生的氢气和氧气，主要由气体分离器、循环泵、冷却器、过滤器、补水塔等组成：

1、气体分离器

气体分离器属于一种压力容器，一般采用覆镍合金材质，能为电解液回路管内的KOH提供一定贮存空间。为提升水电解制氢效率，工作人员可以在碱性水电解制氢系统中布置两台气体分离器，分别设置在电解槽阴/阳两级，并在分离器上部安装循环泵，凭借循环泵产生的虹吸效应吸收电解槽分离出的气体和电解液，并通过气体和电解液的自重实现气液分离[3]。在设置分离器时，分离器尺寸设计非常重要。

2、循环泵

碱性水电解制氢系统中在选择循环泵时，考虑到电解液中含有一定KOH，该物质具有较强腐蚀性，需要将泵和碱液所接触位改造为不锈钢材质，定期对泵轴承进行检查和养护。根据碱性水电解制氢对循环泵的需求，可选择MDW-033磁力驱动式高低温旋涡泵，该循环泵具有节能、安全、稳定、可靠和使用寿命长等特征，泵的基本参数见表3。

3、冷却器

碱性水电解制氢系统中可以设置一台气体冷却器和一台碱液冷却器。前者设置在分离器出口处，装置采用不锈钢材质，使用冷却器隔离层的冷却水实现气体冷却，将气体出口温度始终维持在一定范围内；后者主要采用覆镍合金材质，设置在过滤器碱液进口位置，利用冷却器的冷却水实现电解液的冷却，并通过控制冷却器中冷却水来调节碱液温度[4]。冷却器与温度调节系统相连，主要基于控制器来调节冷却塔的冷却水流量，通过调节冷却水流量调节阀开度灵活调节温度，使电解液温度始终维持在一定范围内。

4、过滤器

过滤器设置在电解槽的碱液进口位置，材质选择覆镍合金，使用过滤网去除碱液中的各种杂质，避免电极表面因杂质沉积引发堵塞。

5、补水塔

补水塔设置在两个气体分离器上方，材质为不锈钢，主要用于补充电解槽中消耗的原流水，主要在补水泵的作用下通过溢流向分离器内补充原料水。补水塔与碱性水电解制氢系统的补水子系统连接，主要基于分离器液位监测结果，在液位低于补水下限时由控制器打开补水泵阀门，将高纯水补入系统，在液位接近补水上限时补水泵停止运行，关闭补水阀停止补水。

（三）隔膜选择

隔膜材料的选择结果在一定程度上决定了碱性水电解制氢的效率。传统碱性水电解制氢系统中，隔膜材料主要为石棉，此类材料目前已被淘汰，而当前常用隔膜材料为聚苯硫醚织物，此类材料的机械强度较高，电性能优良，但缺乏良好亲水性，所以在碱性水电解制氢系统中可用作复合隔膜的基底材料，并通过在基底材料上部设置亲水的功能涂层来形成复合隔膜。

（四）水箱碱箱设置

水箱和碱箱属于碱性水电解制氢的辅助装置，一般采用不锈钢材质。在设置水箱时，水箱中需要设置显示液位的计量装置，一般选择磁翻板液位计，同时为使水箱液位维持在一定高度，还可以在内部设置液位传感器，通过设置水箱液位的上限和下限值来控制水箱进口处电磁阀[5]，将水箱液位控制在一定高度范围内。碱箱是用于配置和存储碱液的容器，必须采用不锈钢材质，降低碱液对容器内表面造成的腐蚀。

（五）输送管道设置

输送管道的作用是输送碱液，其管径大小需要根据碱液流量大小来确定。在额定负荷条件下，碱性水电解制氢系统需要利用冷却水带走大量热量，所以在设置输送管道时要考虑电解槽进出口碱液的温度差，碱液流量可按以下公式计算：

式（2）中，Q为电解槽产热量；ρ为碱液密度；Cp为碱液定压比热容；ΔT为电解槽进出口碱液温度差。

假设在标准条件下氢气产量为2Nm³/h，采用理想气体状态方程可以对氢气实际温度和实际压力下的体积流量进行计算：

式（3）中，Pθ、qvH2，θ和Tθ分别对应氢气的压力、体积流量和温度；T为时间；P为流体密度。

在计算出体积流量后，根据流体流速和气体流速范围可以对输送管道的管径进行计算：

式（4）中，qv表示流体体积流量；V表示流体流速。

（六）工艺选择

1、制氢

在碱性水电解制氢系统运行过程中，系统主要结合电解槽的特性实现快速启停，倘若需要使系统在规定时间内达到设备额的功率，则需要快速将电解液温度调节至运行标准温度，而电解槽的出力和电解液导电率成正相关，主要受电解液温度变化的影响，在系统运行时需要将电解液温度控制在85℃左右，使电解槽达到额定出力[6]。碱性水电解制氢工艺流程见图2。

在制氢系统中，根据电解槽电解原理，电源有效功率为电解水产气量，无效功率为发热，所以可以在系统启动初期通过提高电解电压的方式，降低电阻上升带来的无效功率，以此实现电解液温度的有效提升。

2、供氢系统

供氢系统中可以采用站内设置长管拖车的氢气储运一体化方式替代传统氢气储罐，利用氢气纯化装置、缓冲器、氢气压缩机、充氢汇流排、长管拖车等设备，实现供氢系统的有效运转。

结语：

综上所述，本文结合“双碳”目标背景下我国能源发展现状，围绕基于可再生能源的水电解制氢技术进行了研究，分析了水电解制氢的基本原理和主要类型，并将常用碱性水电解制氢技术作为研究重点，从设备选型和应用上浅要分析了建立和优化碱性水电解制氢系统的要点。研究认为在碱性水电解系统中实现可再生能源的利用，要考虑提升电解效率和降低电能损失，通过对传统碱性水电解制氢系统进行优化，在维持系统基本性能的基础上，能提高可再生能源的利用率，在提高绿氢产能的同时，还有助于实现保护能源安全、降低资源消耗和减少碳排放等功能，在制氢产业领域拥有较高的经济价值和生态价值，建议在未来推广基于可再生能源的水电解制氢技术。

参考文献

[1]涂宏，周军，李少华.大型水电解制氢系统配置及主厂房布置方案探讨[J].电力勘测设计，2024，（11）：28-32+60.

[2]许祎明，涂宏，周军.可再生能源驱动的碱性水电解制氢技术研究与优化[J].电力勘测设计，2024，（10）：1-5+51.

[3]袁先明，李黎明，王雪泽，毕康璐，张玉广，冯东辉.高压PEM水电解制氢技术研究进展[J].现代化工，2024，44（S2）：46-50.

[4]钟晓航，许卫，张文，许莉，王宇新.碱性水电解制氢中铁杂质的影响研究[J].化工学报，1-20.

[5]花春阳，刘璐，胡南，赵麒，姜义，李岩，曾燕.碱性水电解制氢阴极催化剂研究进展[J].长春工程学院学报（自然科学版），2024，25（03）：73-80.

[6]王俊凯.污水处理出水电解制氢可行性分析[J].石材，2024，（07）：93-95.