长兴岛中试基地碱性电解水制氢项目——“氢气的工厂”

长兴科创 2024-08-22

碱性电解水制氢装置可以形象比喻为一座“氢气的工厂”，‌其核心部件是碱性电解槽，‌相当于工厂的生产线。‌在这个“工厂”里，‌水作为“原材料”，‌在直流电的作用下，‌通过电解过程被分解成氢气和氧气，‌就像工厂将原材料加工成产品一样。

本期导读

大规模制氢面临哪些挑战？碱性电解水制氢优势在哪里？又有哪些技术难点需要突破？“明星产业”氢能源又将给地方经济带来哪些影响？本期《深度报道》，带你走进长兴岛中试基地——碱性电解水制氢项目，一起探访这座“氢气的工厂”。

“五彩斑斓”的氢

政策不断加码绿氢是关键技术路线

氢能作为全球能源体系的重要组成部分，其应用正在迅速推进，不仅被写入今年的政府工作报告，“加快前沿新兴氢能、新材料、创新药等产业发展”，且有超过20个省份将氢能源发展列为当地首要发展任务之一。

氢气，作为一种用途广泛且被视为实现“碳中和”目标的关键新能源，拥有其独特的“色谱”。当然，氢元素本身是无色的，其在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，需要通过制氢技术进行“提取”。为了便于区分，全球的研究人员根据氢的生产方式和环境影响的不同给氢分配了各种“颜色”。绿氢是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电，再利用这些清洁电能，以电解水方式制取氢气。绿氢在制取过程中基本不产生温室气体，是目前氢能发展的主要方向。然而，绿氢的制备成本高昂，只占氢气生产总量的0.1%。尽管如此，随着技术的进步和规模化生产，预计未来绿氢的成本将逐渐降低。

“氢气的工厂”

碱性电解水制氢装置

碱性电解水制氢装置可以形象比喻为一座“氢气的工厂”，‌其核心部件是碱性电解槽，‌相当于工厂的生产线。‌在这个“工厂”里，‌水作为“原材料”，‌在直流电的作用下，‌通过电解过程被分解成氢气和氧气，‌就像工厂将原材料加工成产品一样。‌而电解槽中的隔膜，‌则相当于工厂中的分隔墙，‌它将阴阳小室分隔开来，‌确保氢气和氧气不会混合，‌同时允许离子穿越，‌维持电解过程的进行。‌产出的氢气还需要经过脱碱雾处理等“后期加工”，‌以确保其纯度。‌这座“工厂”以其技术成熟、‌设备造价低等优势，‌成为实现大规模生产氢的重要手段之一。

中国科学院李灿院士团队于2001年投入到太阳能转化和水分解制氢的研究中，经过二十几年的不断积累，于2020年完成全国首套千立方级碱水电解槽催化应用示范。

碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和BOP辅助系统。碱性电解槽主体是由端压板、密封垫、极板、电极、隔膜等零部件组装而成，电解槽包括数十个甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。碱性电解水制氢装置BOP辅助系统包括8大系统：电源供应系统、控制系统、气液分离系统、纯化系统、碱液系统、补水系统、冷却干燥系统及附属系统。

阶段性成果显著

实现从催化剂粉体到大面积电极的制备

碱性电解水制氢项目自入驻中试基地以来，阶段性成果显著。2021年，大连化物所科技成果转化处与大连长兴科创企业服务有限公司签订入孵协议；2022年，项目正式入驻初创工厂，同年碱性电解水制氢中试平台完成搭建并成功稳定产出氢气；碱性电解水中试平台可用于模拟和测试碱性电解水制氢技术的性能和稳定性，通过该平台，可以评估电解槽、整流器、气液分离器等核心部件的技术指标，以及整个制氢系统的稳暂态特性，可满足0-100Nm3/h电解槽稳定运行；2023年，项目完成3000小时的稳定性试验，体现了整套制氢工艺、制氢系统的高度成熟度与稳定性。

在碱性电解水制氢技术产业化基础方面，经过大量的试验，项目于2023年摸索出制备催化剂的粉体最佳工艺参数，同年专门应用于电解水制氢用的电极自动化生产线投入运行。经过数百次的不断试验，项目团队实现从催化剂粉体到大面积电极的制备这一技术研发，并成功应用到产气量1500Nm3/h电解槽上。

*全尺寸电极

根据相关资料分析，我国电解水制氢技术目前仍需面对成本挑战。具体而言，电解水制氢的成本主要由电力成本和设备成本构成。为了减少电力成本，可以考虑发展光伏、风电等可再生能源发电方式；而降低设备成本，则需致力于设备研发与技术创新，这要求设备在电流密度、体积规模、响应能力等方面达到更高标准。此外，电解水制氢设备的关键材料和技术部分仍需依赖进口，这在很大程度上限制了中国电解水制氢设备的规模化发展。碱性电解水制氢项目的研发人员指出，他们正在努力提升关键材料和核心部件的自主研发能力，并加速开发具有完全自主知识产权的批量制备技术。在双碳目标的背景下，绿氢产业迎来了巨大的发展机遇，这直接促进了电解水制氢设备市场需求的快速增长。目前，国内众多地区正在迅速增加光伏、水电、风电等可再生能源制备绿氢的项目，这将极大地推动上游电解水制氢设备的出货量，并为碱性水电解制氢领域带来巨大的商业机遇。