一种高效低成本复合式水电解槽技术及装备的开发

饶文涛,魏 炜,蔡方伟,杨建夏,李文武,吴亦伟,马志力

(宝武清洁能源有限公司,上海 201900)

本文开发了一种新型混合式电解水的绿氢制备技术及系统,特点是将两种不同电解槽进行串并联,构造一种混合式电解水制氢系统,提高了系统设备利用率及系统氢气生产能力,并可保证氢气用户的正常稳定生产,同时,采用云服务器进行远程控制,可对制氢设备实现系统的无人值守、集中管理以及远程故障诊断功能,降低了检修频率以及系统异常开停频率,节省了大量维修成本。

1 背景介绍

对于氢能产业的发展而言,大量、廉价、低碳排放的氢气需求是十分迫切的,新能源发电与电解槽的成本下降使廉价低排放的氢能获取成为可能,目前全球范围内的可再生能源制氢的成本有望从30～60元/kg下降至10～20元/kg。根据目前的发展趋势,未来可再生能源电解水制氢可以与没有碳捕获的化石燃料制氢相抗衡。

从现在产业发展情况来看,电解水制氢在整个制氢领域的占比依然很小,而且绝大多数是小规模的,造价比较高。2018年,全球范围内的水电解槽出货量大约为135 MW,制氢的成本根据地理位置的不同大约是2.5～6.8美元/kg。一般来说,传统的国产碱性电解槽的制造成本远低于欧美碱性槽的制造成本。

电解槽制氢产业的巨大潜力主要是源于制造成本的快速下降,部分国产厂商已经证明了传统的碱性槽技术路线具有实现低成本大型化的潜力,同时,尚待成熟的质子交换膜电解槽的制造成本也在不断下降。预计未来一段时间国产碱性电解槽系统成本可以从目前的1 400元/kW降低至750～900元/kW,到2050年,有望下降至600元/kW;质子交换膜这个技术领域,制造成本在2050年也有望降到500～1 300元/kW。

聚焦水电解技术的发展前景[1-2],众多央企集团开始布局水电解制氢领域。2021年,上海电气与中科院大连化物所签订兆瓦级PEM电解槽制氢项目,“PEM电解水制氢技术研发中心”揭牌成立;国家电投河南签约中平云能、康明斯,将在氢能领域深化战略合作。2019年,国家电投与德国西门子共同签署《绿色氢能发展和综合利用合作谅解备忘录》。根据该备忘录,国家电投和西门子将聚焦氢能供需两侧关键技术的联合研发与应用,重点围绕氢能技术联合创新研发。2020年,中石化资本携手康明斯推动绿氢产业的发展,中国石化集团资本有限公司(中石化资本)、恩泽海河(天津)股权投资基金合伙企业(恩泽基金)及康明斯(中国)投资有限公司(康明斯中国)在北京签署合作意向书,将利用各方优势和资源,共同促进电解水制氢技术的开发及推广,推进绿氢产业发展。西安隆基氢能科技有限公司(下称隆基氢能)注册成立,注册资本3亿元。隆基氢能股东包括隆基股份全资子公司西安隆基绿能创投管理有限公司以及上海朱雀嬴私募投资基金合伙企业(有限合伙)。隆基在电解制氢装备、光伏制氢等领域形成了技术积累。到2050年,全球年需求氢将达到6～8亿t的规模,按照该预期,未来30年,全球年均新增的制氢规模约为2 500万t,带来新增光伏装机年均900 GW左右,从而形成万亿级(3.6万亿)的市场规模。初步计算绿氢的价格,在光照好的地方,光伏制氢的电力成本约0.15元/kWh(0.75元/m3,折合8.4元/kg),大幅低于现在制氢的电力成本,“光伏制氢”的竞争力将逐渐增强,市场空间也将全面展现。

2 几种典型电解制氢技术比较

氢气是一种清洁环保的二次能源,目前主要的制氢工艺包括：水电解制氢、光/热催化制氢、矿物燃料制氢以及生物制氢。

水电解制氢可用于消纳光伏、风电等可再生能源产生的弃电,将电能转化为氢能,具有氢气纯度高、生产流程无污染、制氢规模灵活可调等特点。电解反应是英国物理学家、化学家威廉·尼科尔森在1800年发现的,并开创了电化学这一新的科学领域。200年来电解制氢是工业制氢的主要技术,后来随着天然气工业的发展,水电解制氢被效率更高的蒸汽重整制备氢气取代。目前水电解制氢技术又焕发了生机,主要的原因是该技术可以把可再生能源的电力转化为氢气,将电能转化为一种化学能进行储存,这一进程中,在传统的碱性槽电解技术的基础上又产生了一种PEM(Polymer electrolyte membrane,聚合物电解质膜)的电解新技术。

目前主流的电解技术包括：碱性水电解技术(ALE技术)、质子交换膜电解水技术(PEM技术)、固体氧化物电解水技术(SOFC技术)和阴离子交换膜(AEM技术)。主流的电解水制氢技术为ALE(碱性)技术和PEM(质子交换膜)技术,碱性水电解技术存在制氢响应慢、槽压相对较低及电解槽电流密度低等问题,质子交换膜电解水技术在以上三方面均有优势,但是存在成本高的问题。ALE槽与PEM槽的原理对比见图1,性能对比见表1。

图1 PEM槽和ALE槽对比Fig.1 Comparison of PEM tank and ALE tank

表1 PEM和ALE槽的性能对比Table 1 Performance comparison of PEM and ALE slots

针对以上两种技术存在的问题,宝武清洁能源技术中心结合宝武集团可再生能源比例逐年提高的现状,通过将两种水电解技术进行结合,希望能开发出一种既克服ALE技术的缺点,又具有PEM优良性能,同时还有性价比的技术。在密切跟踪国内外先进技术[3-4]的同时,与在电解槽领域具有加工能力的合作伙伴一起针对钢铁行业的氢能应用场景,开发出一种全新的复合水电解槽技术。

3 复合水电解槽技术的开发

现有的两种电解槽在运行范围,响应速度和冷、热启动时间等方面均存在差距,首先需要在控制模式上进行统一,然后在系统上进行优化,最后形成新的系统。本文着手开发一种混合式电解水的绿氢制备系统,包括供电电源、混合制氢单元、PLC控制器和云服务器,而传统的水电解制氢装置控制设备主要采用PLC控制实现,控制系统安装复杂且安全性、抗干扰性、可靠性较差。本绿氢系统将两种不同电解槽进行串并联构造一种混合式电解水制氢系统,提高了系统设备利用率及系统氢气生产能力,保证了氢气用户的正常稳定生产,同时,采用云服务器进行远程控制,可对制氢设备实现系统的无人值守、集中管理以及远程故障诊断功能,降低检修频率以及系统异常开停频率,节省了大量维修成本。

3.1 复合(PA)槽控制模式的设计

碱性电解槽(ALE)比质子交换膜(PEM)的电阻大,运行范围窄。PEM允许在0～3 A/cm2之间运行,有更高的电流密度。图2为 ALE和PEM水电解槽的操作范围分析。首要考虑的是宝武使用场景有可再生能源电力的接入,开发的新系统需要更好地适应大量分布式新能源电力的波动性接入,同时考虑输入电源端可以采用两路供电：DC-DC或AC-DC接入,配置灵活的水处理模块,同时优化气体纯化,精确压力匹配,实现更广泛的工作范围,实现高兼容性的协调控制、更好的势态感知能力、最优的模式匹配。

图2 ALE和PEM水电解槽的操作范围分析Fig.2 Analysis of the operating range of ALE tank and PEM tank water electrolyzer

对现有的ALE系统和PEM控制特性对比见表2。

表2 ALE和PEM的性能比较Table 2 Performance comparison between ALE and PEM

新设计的PA复合槽考虑由ALE槽和PEM槽进行组合,P是指PEM槽,A是指ALE槽。因PEM槽冷启动的时间短,在电源端接入的电是光伏电或风电时,启动一个PEM槽,此时ALE槽关闭,PEM运行一段时间后,同时启动ALE槽,此时ALE和PEM槽同时运行,当外界电力稳定了,ALE冷启动完成后,ALE运行,PEM关闭,系统工作结束时,ALE和PEM同时停止。图 3为 PA的控制模式。

图3 PA的控制模式Fig.3 The control mode of PA

3.2 硬件系统的优化组成

PA系统不是两套系统的叠加,而是做了进一步的优化,具体见图4。把原来两套系统需要的两套电控装置和两套气体纯化装置合二为一,降低了系统的成本。

图4 PA复合槽系统配置的优化Fig.4 Optimization of the configuration of the PA composite tank system

最后形成的系统流程见图5,PA槽实现了将ALE和PEM两个槽集成到1套系统中,由1套控制系统进行控制。

图5 PA电解槽系统组成图Fig.5 PA electrolyzer system composition diagram

供电电源为绿氢制备系统提供电能;混合制氢单元包括开关电源、碱性水电解装置、质子交换膜电解装置、第一阀门、第二阀门、压力调节单元、气源泵及氢气纯化单元,开关电源的进电端与供电电源相连,开关电源的供电端与碱性水电解装置及质子交换膜电解装置均电连接;碱性水电解装置包括碱性水电解槽、第一汽水分离器、第二汽水分离器、第一洗涤冷凝器和第二洗涤冷凝器,碱性水电解槽上设有用于供氧气流出的第一出气管和用于供氢气流出的第二出气管,第一出气管的远端与第一汽水分离器的进气口相连,第一汽水分离器的出气口与第一洗涤冷凝器的进气口相连,第二出气管的远端与第二汽水分离器的进气口相连,第二汽水分离器的出气口与第二洗涤冷凝器的进气口相连。

本系统与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：开发了一种混合式电解水的绿氢制备系统,其整体组成见图6,包括供电电源、混合制氢单元、PLC控制器和云服务器,其中,混合制氢单元包括开关电源、碱性水电解装置、质子交换膜电解装置、第一阀门、第二阀门、压力调节单元、气源泵及氢气纯化单元,将两种不同电解槽进行串并联构造一种混合式电解水制氢系统,提高了系统设备利用率及系统氢气生产能力,保证了氢气用户的正常稳定生产,同时,采用云服务器进行远程控制,可对制氢设备实现系统的无人值守、集中管理以及远程故障诊断功能,降低了检修频率以及系统异常开停频率,节省了大量维修成本。

3.3 系统的调试

在本试验中(图7、8),绿氢制备系统既可以通过光伏直流接入,也可以通过市电交流接入;当采用光伏直流电接入后,通过DC/DC接入到电解槽进行水电解制氢过程,通过DC/AC将电流通入PLC控制侧对设备进行调控;当采用市电交流接入后,将电流流入PLC控制侧对整个设备进行管理,通过AC/DC将转换的直流电接入电解槽进行制氢操作。

图7 电解槽总系统的功率和电流调试Fig.7 Power and current commissioning of the total electrolyzer system

图8 PEM槽部分调试Fig.8 PEM slot part debug

4 后续应用展望及研究

根据以上技术开发出BWQN-PA-500、BWQN-PA-1000等两大系列成套产品,委托加工后,将应用于韶钢500方绿氢配套加氢站示范项目和八钢2 000方绿氢配套氢冶金项目(二期扩展到4 000方)。后续将进一步研究用氢技术,需要研究氢冶金过程高炉动态供氢与动态运行控制技术,提高冶金过程氢气利用效率;设计匹配高炉供氢、热轧燃氢、冷轧保护等多用氢场景的氢气协同供需控制技术,提出氢冶金全过程的安全管理与防控方案;研究大功率制氢设备与氢冶金过程的耦合运行控制技术,提出制氢—冶金全过程热能综合利用方案,提高系统能量利用效率;完成制氢设备的能效评估及经济性评价。

5 结语

对现有ALE槽和PEM槽进行二次开发,结合二者的优点,通过系统优化开发了复合型水电解槽,在硬件上对电控系统和气体纯化系统进行优化,降低了成本,开发了配套的软件,同时实现低电耗、瞬时响应和高性价比,其效果将在后续应用中得到不断验证。