基于可再生能源的水电解制氢技术

引用本文: 迟军, 俞红梅. 基于可再生能源的水电解制氢技术[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 390-394. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62949-8 shu

Citation: Jun Chi, Hongmei Yu. Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 390-394. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62949-8 shu

基于可再生能源的水电解制氢技术

迟军 ^a,b, ,
俞红梅 ^a,

a 中国科学院大连化学物理研究所燃料电池研究部, 辽宁大连 116023;
b 中国科学院大学, 北京 100049
基金项目:
国家自然科学基金联合基金（U1664259）；国家自然科学基金（91434106）；国家电网项目（新型SPE析氧催化剂测试技术研究，SGTYHT/15-JS-193）；北京市科学技术委员会项目（Z171100002017024）.

摘要: 在全球变暖，污染日益严重的今天，发展可再生清洁能源成为了当务之急.然而可再生能源（风能、太阳能）本身具有间断特性，这就需要寻找一种合适的能量媒介储存能量来保证其能源的稳定输出.当前，我国各地不断出现弃风、弃光和弃水电事件，据国家能源局的公开数据，仅2016年，全国弃风电量497×10⁸ kW·h，弃光率仅西部地区就已达20%，弃风弃光日臻凸显[1].从地域方面来看，我国光伏发电呈现东中西部共同发展格局，其中，西部地区主要发展集中式光伏发电，新疆、甘肃、青海、宁夏的累计装机容量均超过5×10⁶ kW·h，而中东部地区除集中式光伏发电外，还重点建设分布式光伏发电，江苏、浙江、山东、安徽的分布式光伏装机规模已超过100万千瓦.我国光伏发电集中开发的西北地区也存在严重的弃光问题.根据中国光伏行业协会发布的报告，我国的弃光现象主要集中于西北的新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西五省区.据统计，2016年，五省区光伏发电量287.17×10⁸ kW·h，弃光电量70.42×10⁸ kW·h，弃光率为19.81%，各省区光伏发电并网运行数据如表格所示.可以看出，新疆、甘肃光伏发电运行较为困难，弃光电量绝对值高，弃光率分别达到32.23%和30.45%[2].在新能源体系中，氢能是一种理想的二次能源，与其它能源相比，氢热值高，其能量密度（140MJ/kg）是固体燃料（50MJ/kg）的两倍多.且燃烧产物为水，是最环保的能源，既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等.对可再生和可持续能源系统，氢气是一种极好的能量存储介质.氢气作为能源载体的优势在于：（1）氢和电能之间通过电解水技术可实现高效相互转换；（2）压缩的氢气有很高的能量密度；（3）氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力.
制氢的方式有很多，包括：化石燃料重整、分解、光解或水解等.全球每年总共需要约40亿吨氢气，95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得，生产过程必然排出CO₂，而电解水技术利用可再生能源获得的电能进行规模产氢，可实现CO₂的零排放，可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能，更利于储存与运输.所存储的氢气可用于燃料电池发电，或单独用作燃料气体，也可作为化工原料.通过水电解方式获得的氢气纯度较高，可达99.9%以上.

关键词:

水电解
/ 制氢
/ 可再生能源
/ 弃光
/ 弃风

English

Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production

Jun Chi ^a,b, ,
Hongmei Yu ^a,

a Laboratory of Fuel Cells, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Received Date: 07 October 2017
Revised Date: 26 October 2017
Fund Project:
This work was supported by the Joint Fund of National Natural Science Foundation of China (U1664259), the National Natural Science Foundation of China (91434106), the State Grid Fund (SGTYHT/15-JS-193) and the Beijing municipal science and technology commission project (Z171100002017024).

Abstract: As an energy storage medium, hydrogen has drawn the attention of research institutions and industry over the past decade, motivated in part by developments in renewable energy, which have led to unused surplus wind and photovoltaic power. Hydrogen production from water electrolysis is a good option to make full use of the surplus renewable energy. Among various technologies for producing hydrogen, water electrolysis using electricity from renewable power sources shows great promise. To investigate the prospects of water electrolysis for hydrogen production, this review compares different water electrolysis processes, i.e., alkaline water electrolysis, proton exchange membrane water electrolysis, solid oxide water electrolysis, and alkaline anion exchange membrane water electrolysis. The ion transfer mechanisms, operating characteristics, energy consumption, and industrial products of different water electrolysis apparatus are introduced in this review. Prospects for new water electrolysis technologies are discussed.

Key words:

1. [1] http://www.nea.gov.cn/2017-01/26/c_136014615.htm
2. [2] http://www.nea.gov.cn/2017-02/04/c_136030860.htm
3. [3] F. M. Sapountzi, J. M. Gracia, C. J. Weststrate, H. O. A. Fredresksson, J. W. Niemantsverdiet, Prog. Energy Combust. Sci., 2017, 58, 1-35.
4. [4] G. Gahleitner, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 2039-2061
5. [5] A. Ursua, L. M. Gandia, P. Sanchis, Proc. IEEE, 2012, 100, 410-426.
6. [6] http://www.h2fc-fair.com/hm14/images/tech-forum-presentations/2014-04-07-1630.pdf
7. [7] https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/pd031_harrison_2014_o.pdf
8. [8] https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review16/pd000_miller_2016_o.pdf
9. [9] Siemens:"Grüner" Wasserstoff. http://www.industry.siemens.com/topics/global/de/magazine/process-news/antriebstechnik/seiten/pemelektrolyse.aspx (accessed 10.06.15)
10. [10] Proton Onsite:M1, M2. URL http://protononsite.com/products/m/#taboverview (accessed 10.06.15).
11. [11] http://www.greencarcongress.com/2017/09/20170901-shell.html
12. [12] www.china-hydrogen.org/fuelcell/mix/2016-12-06/5764.html
13. [13] G. F. Li, H. M. Yu, W. Song, X. Y. Wang, Y. K. Li, Z. G. Shao, B. L. Yi, J. Power Sources, 2014, 249, 175-184.
14. [14] M. A. Laguna-Bercero, J. Power Sources, 2012, 203, 4-16.
15. [15] A. Brisse, J. Schefold, M. Zahid, Int. J. Hydrogen Energy, 2008, 33, 5375-5382.
16. [16] http://www.sunfire.de/en/applications/hydrogen
17. [17] P. W. Du, R. Eisenberg, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 6012-6021.
18. [18] M. R. Gao, W. C. Sheng, Z. B. Zhuang, Q. R. Fang, S. Gu, J. Jiang, Y. S.Yan, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 7077-7084.
19. [19] T. Y. Ma, S. Dai, M. Jasonniec, S. Z. Qiao, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 13925-13931.
20. [20] H. I. Karunadasa, E. Montalvo, Y. J. Sun, M. Majda, J. R. Long, C. J. Cheng, Science, 2012, 335, 698-702.
21. [21] Q. Liu, J. Q. Tian, W. Cui, P. Jiang, A. M. Asiri, X. P. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 6710-6714.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

基于可再生能源的水电解制氢技术

English

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