可再生氢能应用前景 -- 氢的制取
海水时可以在阳极产生氧气, 而抑制氯气的产生.
Ghany 等人[17]用Mn1-xMoxO2+x/IrO2Ti作为电极, 氧气的生成率达到了100%, 完全避免
了氯气的产生, 使得电解海水制氢变得可行.
1.3. 利用可再生资源电解水制氢
如前所述, 电解水需要消耗电. 由化石燃料产生电能推动电解槽制氢由于会消耗
大量的不可再生资源, 只能是短期的制氢选择. 由可再生资源产生电能, 比如通过光
伏系列和风机发电, 具有资源丰富, 可再生, 并且整个生命周期影响较小等优点, 是
未来的发展趋势.
光伏电池在吸收太阳光能量后, 被光子激发出的自由电子和带正电的空穴在PN结
的电场力作用下, 分别集中到N型半导体和P型半导体, 在连接外电路的情况下便可对
外提供直流电流. 光伏电池可以分为第一代光伏电池(wafer-based PV)和第二代光伏电
池(thin film PV). 目前市场上多是第一代光伏电池. 第一代电池具有较高的转换效率
(10-15%), 但成本较贵, 限制了其大规模使用. 第二代电池虽然效率较低(6-8%), 但
由于采用了薄膜技术, 使用较少的材料, 并且易于批量生产, 制作成本大大降低, 目
前的研究方向是进一步提高薄膜光伏电池的转换效率[18]. 由于光伏电池产生的是直
流电,可以直接运用于电解水, 但为了保证光伏阵列工作在最大功率状态, 在光伏电池
和电解槽之间往往需要接入一个最大功率跟踪器(MPPT)和相应的控制器.
风能发电由于具有较高的能量利用效率和很好的经济性, 在最近几年得到了很快
发展. 风力发电机组利用风的动能推动发电机而产生交流电. 根据Betz law, 风力发电
的最大效率理论上可达59% [19]. 在风力充足的条件下, 风力发电的规模越大, 其经济
性越好. 因此, 近几年风力发电朝着大规模的方向发展. 另外, 由于海上风力较陆地
大, 并且不占陆地面积, 最近也有将风力发电机组建在海上的趋势. 风能发电只需交
流-直流转换即可与电解槽相接产氢, 经济性较好, 目前不少风力资源充足的国家都将
风能-电解槽系统列为重点发展的方向.
另外, 地热能, 波浪能所发的电都可以作为电解槽的推动力, 但和太阳能与风能
一样, 都受地域的限制.
1.4
目前所用到的电解槽多为碱性电解槽. 加拿大的Stuart是目前世界上利用电解水
制氢和开发氢能汽车最为有名的公司. 他们开发的HESfp系统包括一个能日产氢25 千
克的碱性电解槽, 一个能储存60 千克氢的高压储氢罐和氢内燃机车. 他们用于汽车的
氢能系统能每小时产氢3千克, 可以为3辆巴士提供能量. Hamilton是另一个有名的电解
槽开发制造商, 他们的ES系列利用PEM电解槽技术, 可以每小时产氢6-30Nm3, 所制氢
的纯度可达99.999%. 在日本的WE-NET计划中, 氢的制取也是通过PEM电解槽来实现,
并且PEM电解槽在80oC和1A/cm2的工作条件下, 已经以90%的效率连续工作了超过4000小
时 [11].
1.5. 电解水技术的环境, 经济和安全问题
从电解水的整个生命周期来看, 电解水制氢会对环境造成一定的负面影响, 并且
也有一定的危险性. 下面将做定性分析.
对碱性电解槽而言, 由于使用了具有强烈腐蚀性的KOH溶液作为电解液, KOH的渗漏
和用后的处理会造成环境的污染, 对人体健康也是一个威胁. 并且目前的碱性电解槽
多采用石棉作为隔膜, 石棉具有致癌性, 会对人构成严重的危害. PEM电解槽使用质子
交换膜作为电解质, 无须隔膜. 但当PEM电解槽工作温度较高时(比如150oC), PEM将会
发生分解, 产生有毒气体. 固体氧化物电解槽虽然没有上述问题, 但工作在高温, 存
在着在高温下生成的氧气和氢气重新合并发生燃烧甚至爆炸的危险, 需要引起注意.
此外, 电解槽生产, 比如原材料的开采,加工, 以及最终的遗弃或废物处理, 都需要消
耗一定的能量, 并且会释放出CO2等温室气体和其他污染物.
当电解槽由光伏电池驱动时, 光伏电池可能含有有毒物质(比如CdTe PV), 将带来
一定的环境污染和危险性. 尤其当系统发生短路出现火情, 有毒物质将会释放出来,危
害较大. 另外, 光伏阵列的安装会占用较大的土地面积. 这点也需要在设计安装时加
以考虑. 风能-电解槽系统和光伏-电解槽系统相比, 则对环境的影响要小很多, 并且
也相对安全. 但也有需要注意的地方, 比如噪音, 对电磁的干扰, 以及设计时需要考
虑到台风的影响.
尽管电解水制氢具有很高的效率, 由于昂贵的价格, 仍然很难大规模使用. 目前
三种电解槽的成本分别为: 碱性电解槽US$400-600/kW, PEM电解槽约US$2000/kW, 固体
氧化物电解槽约US$1000-1500/kW. 当光伏电池和电解水技术联合制氢时, 制氢成本将
达到约US$41.8/GJ(US$5/kg), 而当风力发电和电解水技术联合制氢时, 制氢成本约为
US$20.2/GJ (US$2.43/kg) [20].
2. 太阳能热化学循环制氢
太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术. 首先, 由太阳能
聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温. 然后由这些高温推动产氢的化学反映以制
取氢气. 目前国内外广泛研究的热化学制氢反应有: (1) 水的热分解(thermol 《可再生氢能应用前景 -- 氢的制取(第3页)》
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Ghany 等人[17]用Mn1-xMoxO2+x/IrO2Ti作为电极, 氧气的生成率达到了100%, 完全避免
了氯气的产生, 使得电解海水制氢变得可行.
1.3. 利用可再生资源电解水制氢
如前所述, 电解水需要消耗电. 由化石燃料产生电能推动电解槽制氢由于会消耗
大量的不可再生资源, 只能是短期的制氢选择. 由可再生资源产生电能, 比如通过光
伏系列和风机发电, 具有资源丰富, 可再生, 并且整个生命周期影响较小等优点, 是
未来的发展趋势.
光伏电池在吸收太阳光能量后, 被光子激发出的自由电子和带正电的空穴在PN结
的电场力作用下, 分别集中到N型半导体和P型半导体, 在连接外电路的情况下便可对
外提供直流电流. 光伏电池可以分为第一代光伏电池(wafer-based PV)和第二代光伏电
池(thin film PV). 目前市场上多是第一代光伏电池. 第一代电池具有较高的转换效率
(10-15%), 但成本较贵, 限制了其大规模使用. 第二代电池虽然效率较低(6-8%), 但
由于采用了薄膜技术, 使用较少的材料, 并且易于批量生产, 制作成本大大降低, 目
前的研究方向是进一步提高薄膜光伏电池的转换效率[18]. 由于光伏电池产生的是直
流电,可以直接运用于电解水, 但为了保证光伏阵列工作在最大功率状态, 在光伏电池
和电解槽之间往往需要接入一个最大功率跟踪器(MPPT)和相应的控制器.
风能发电由于具有较高的能量利用效率和很好的经济性, 在最近几年得到了很快
发展. 风力发电机组利用风的动能推动发电机而产生交流电. 根据Betz law, 风力发电
的最大效率理论上可达59% [19]. 在风力充足的条件下, 风力发电的规模越大, 其经济
性越好. 因此, 近几年风力发电朝着大规模的方向发展. 另外, 由于海上风力较陆地
大, 并且不占陆地面积, 最近也有将风力发电机组建在海上的趋势. 风能发电只需交
流-直流转换即可与电解槽相接产氢, 经济性较好, 目前不少风力资源充足的国家都将
风能-电解槽系统列为重点发展的方向.
另外, 地热能, 波浪能所发的电都可以作为电解槽的推动力, 但和太阳能与风能
一样, 都受地域的限制.
1.4
. 电解水制氢的现状
目前所用到的电解槽多为碱性电解槽. 加拿大的Stuart是目前世界上利用电解水
制氢和开发氢能汽车最为有名的公司. 他们开发的HESfp系统包括一个能日产氢25 千
克的碱性电解槽, 一个能储存60 千克氢的高压储氢罐和氢内燃机车. 他们用于汽车的
氢能系统能每小时产氢3千克, 可以为3辆巴士提供能量. Hamilton是另一个有名的电解
槽开发制造商, 他们的ES系列利用PEM电解槽技术, 可以每小时产氢6-30Nm3, 所制氢
的纯度可达99.999%. 在日本的WE-NET计划中, 氢的制取也是通过PEM电解槽来实现,
并且PEM电解槽在80oC和1A/cm2的工作条件下, 已经以90%的效率连续工作了超过4000小
时 [11].
1.5. 电解水技术的环境, 经济和安全问题
从电解水的整个生命周期来看, 电解水制氢会对环境造成一定的负面影响, 并且
也有一定的危险性. 下面将做定性分析.
对碱性电解槽而言, 由于使用了具有强烈腐蚀性的KOH溶液作为电解液, KOH的渗漏
和用后的处理会造成环境的污染, 对人体健康也是一个威胁. 并且目前的碱性电解槽
多采用石棉作为隔膜, 石棉具有致癌性, 会对人构成严重的危害. PEM电解槽使用质子
交换膜作为电解质, 无须隔膜. 但当PEM电解槽工作温度较高时(比如150oC), PEM将会
发生分解, 产生有毒气体. 固体氧化物电解槽虽然没有上述问题, 但工作在高温, 存
在着在高温下生成的氧气和氢气重新合并发生燃烧甚至爆炸的危险, 需要引起注意.
此外, 电解槽生产, 比如原材料的开采,加工, 以及最终的遗弃或废物处理, 都需要消
耗一定的能量, 并且会释放出CO2等温室气体和其他污染物.
当电解槽由光伏电池驱动时, 光伏电池可能含有有毒物质(比如CdTe PV), 将带来
一定的环境污染和危险性. 尤其当系统发生短路出现火情, 有毒物质将会释放出来,危
害较大. 另外, 光伏阵列的安装会占用较大的土地面积. 这点也需要在设计安装时加
以考虑. 风能-电解槽系统和光伏-电解槽系统相比, 则对环境的影响要小很多, 并且
也相对安全. 但也有需要注意的地方, 比如噪音, 对电磁的干扰, 以及设计时需要考
虑到台风的影响.
尽管电解水制氢具有很高的效率, 由于昂贵的价格, 仍然很难大规模使用. 目前
三种电解槽的成本分别为: 碱性电解槽US$400-600/kW, PEM电解槽约US$2000/kW, 固体
氧化物电解槽约US$1000-1500/kW. 当光伏电池和电解水技术联合制氢时, 制氢成本将
达到约US$41.8/GJ(US$5/kg), 而当风力发电和电解水技术联合制氢时, 制氢成本约为
US$20.2/GJ (US$2.43/kg) [20].
2. 太阳能热化学循环制氢
太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术. 首先, 由太阳能
聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温. 然后由这些高温推动产氢的化学反映以制
取氢气. 目前国内外广泛研究的热化学制氢反应有: (1) 水的热分解(thermol 《可再生氢能应用前景 -- 氢的制取(第3页)》
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