我国可再生能源发电制氢的发展概况

化石燃料的利用在短时间内带来重大的技术进步的同时也带来了诸多问题。选择绿色无污染的可再生能源作为化石燃料的替代品是实现"碳中和""碳达锋"目标的主要步骤。但是可再生能源的波动性和间歇性在并网时会造成电网的不稳定性,引起严重的弃光、弃风、弃水现象。电解水制氢技术被认为是脱碳制氢关键过程,同时也是实现能源转换提高能源的利用率的一种有效方式。本文对电解水制氢技术及我国可再生能源发电制氢项目的现状进行介绍,并列举了可再生能源发电制氢项目存在的问题及提出的建议。总之,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。     

国外可再生能源发展现状与展望

综述了近年来国外太阳能、风能、地热能、生物能和潮汐能等可再生能源的发展现状,阐述了国外可再生能源的发展目标,并在当今全球资源紧缺这样的大背景下对可再生资源的发展前景进行了预测①大型并网风电将进入快速发展阶段;②太阳能光伏发电稳步增长;③太阳能热水器在能源供应方面发挥巨大的作用;④生物质发电范围继续扩大;⑤生物液体燃料技术继续受到重视。     

基于可再生能源水电解制氢技术发展概述

化石能源的过度使用带来了一系列问题,双碳目标下,人们对于可再生能源的需求也在逐渐增加,电解水制氢技术的商业化、工业化生产也逐渐为人们所重视。本文分析了当前水电解制氢技术三种制氢工艺的优缺点,对其发展现状进行了总结与评判,并对可再生能源水电解制氢未来的发展趋势进行了展望。     

基于可再生能源纯水电解制氢技术展望

化石能源的消耗、生态环境的不断恶化,导致大力开发和利用可再生清洁能源解决当前的能源危机成为当务之急。然而可再生能源因其本身具有不均匀性、间断特性,导致它的利用率和占比低。水电解制氢技术已相当成熟,尤其是基于PEM电解水制氢系统的响应速度快,适应动态操作的特点,适合于可再生能源消纳制氢,将制取的氢气作为燃料应用在工业P2G中,是近年来氢储能和能源循环的发展思路。     

氢能产业现状及发展建议

在“双碳”背景下,我国氢能产业蓬勃发展,配套政策法规相继出台。石化企业作为碳排放大户,近些年加快以氢能为核心的新能源业务布局,在交通领域快速推进氢能的全产业链发展。通过深入调研全球氢能供需市场、国内氢能扶持政策及全产业链发展现状,分析了在氢能快速发展情况下化工行业面临的发展机遇,同时结合华东地区某石化企业氢能产业发展实际,对传统石化企业转型发展提出建议。     

可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展

氢能是一种清洁、高效的二次能源,是构建未来清洁社会的重要支撑。在众多制氢技术中,利用可再生能源产生电能,并通过电解水制备高纯度氢气是最具潜力的制氢路线之一。本文在介绍三种电解水制氢技术及核心部件的基础上,重点讨论了电解水析氢催化剂,特别是过渡金属基电催化剂及单原子催化剂的研究进展。本文最后对可再生能源发电与电解水制氢技术的耦合进行了分析与讨论,简述了现阶段国内外基于可再生能源发电制氢项目的开发进展。文章指出,随着电力成本下降,高效、稳定、经济的析氢催化剂的开发,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。     

我国氢能产业发展现状与思考

我国以化石能源为消费主体,为加快实现"双碳"减排目标,发展清洁能源刻不容缓。从制氢、燃料电池、氢能汽车、加氢站和氢能冶金等方面对我国氢能发展现状进行梳理,分析了我国氢能产业的不足,并对未来氢能发展方向提出建议。研究表明,我国氢能产业处于初级发展阶段,尚未完全掌握氢能核心技术,关键材料及零部件仍依赖进口,导致氢能产业链的生产成本较高。未来我国应加强氢能顶层规划布局、氢能产业核心技术攻关、开展高效制氢技术及拓宽氢能应用场景,为未来氢能大规模发展打下坚实基础。     

氢能——我国未来的清洁能源

首先介绍了氢能的诸多优点,例如资源丰富、来源多样性、可再生性和可储存性等,特别指出氢的可储存性使其具有和电、热不同的能源载体的用途。进而就我国能源资源情况、能源安全、环境要求以及经济可持续发展的角度说明我国发展氢能的必要性。说明发展氢能燃料电池汽车、分散供电、供热都将是我国经济持续发展的新的增长点。当前,各国制定氢能发展规划,加大发展氢能的力度,出现氢能国际化的苗头。对此,作者建议应根据我国国情特点,制定我国的氢能发展计划和目标,同时,积极参与氢能国际化活动,为我国的可持续发展争取条件。     

氢的制取及氢能的利用

综述了利用可再生资源制氢的主要技术,包括电解水制氢,太阳能热化学循环制氢和利用生物质转化制氢等,以及氢能在氢燃料电池中的应用。     

氢能的思考及发展路径判断和实践

氢具有化学品、专属燃料和二次能源三种特性,在中国能源革命进程中,政府将以CO₂减排为抓手促进光伏风电的发展。随光伏风电成本的降低,绿氢从化学品定位转向专属燃料和二次能源属性。文中指出:中国30·60双碳目标将引领再电气化,重构钢铁、炼化、煤化工、油气田、汽车、煤电和水泥产业;西部地区通过光伏原位电解水及绿色气体岛来实现氢的能源转型;东部地区绿氢有可能成为拉动乡村振兴的载体工具和低碳城市创建的重要抓手。文章提出:超前布局、强化创新、持续突破氢能关键核心技术、长期坚持技术迭代和产业示范,是氢能实现产业化发展的根本途径。     

水电解制氢装置运行及维护

介绍水电解制氢装置的工艺流程,分析其工作原理。并且结合日常运行及维护经验,对水电解制氢装置的日常管理和故障处理进行说明。     

质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望

氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,而电解水制氢是实现制氢规模化的重要途径。在多种电解水制氢技术中,质子交换膜电解水技术由于具备电流密度大、产氢纯度高、响应速度快等优势,吸引了科学界和工业界的广泛重视。本文首先介绍了质子交换膜电解池的结构组成以及各组成的主要作用,对比分析了碱性电解池、固体氧化物电解池与质子交换膜电解池的技术差异,并结合电解水析氢反应以及析氧反应的机理阐释,分别介绍了两步半反应的常用催化剂;然后,从最初的实验室研究阶段到目前兆瓦级别的质子交换膜电解水系统,回顾了该技术的发展历程以及应用现状;其次,从制氢成本、电堆性能及电堆寿命等多角度分析目前该技术面临的瓶颈问题;最后,根据质子交换膜电解池的技术优势,并针对上游间歇性可再生能源的需求以及和下游产业的联合应用,对其未来前景进行了展望。     

碳达峰与碳中和目标下PEM电解水制氢研究进展

氢能作为重要的能源载体,燃烧过程绿色无污染,能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式,分析各制氢方式的优缺点,阐述了质子交换膜（PEM）电解水制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从PEM电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述,详细介绍了PEM电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文中通过分析我国太阳能、风能分布特征,总结可再生能源利用存在的问题,从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望,期望为可再生能源PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。     

高温固体氧化物电解制氢模拟研究进展

固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell, SOEC）是一种先进的电化学能量转化装置,具有高效、简单、灵活、环境友好等特点,是目前国际能源领域的研究热点。但SOEC在高温、密闭的复杂环境下运行,实验研究代价高昂,有些甚至无法完成。相对来说,数值模拟具有成本低、易操作的显著优势。近年来,有关SOEC电解制氢的模拟研究取得了较大进展。本文在简要介绍SOEC工作原理的基础上,从电化学、热力学和流体动力学等方面阐述了模拟基础理论,重点从稳态与瞬态及系统、宏观与微观的角度总结了高温电解制氢模拟技术的研究进展,进而指出当前研究存在的局限性。SOEC电解制氢模拟还需从数学模型验证、适用性分析、系统非设计工况和动态运行特性等方面加强研究工作。随着技术的不断发展与完善,数值模拟必将为SOEC技术商业化提供关键支撑。     

A novel method of hydrogen generation by water electrolysis using an ultra-short-pulse power supply

A novel method of hydrogen generation by water electrolysis using ultra-short-pulse power supply is demonstrated. The ultra-short power supply consists of a static induction thyristor (SIThy) and a specific circuit which is called the inductive energy storage (IES) circuit. It was found that by using an ultra-short pulse with the width of 300 ns, electrolysis takes place with a mechanism dominated by electron transfer, which is different from the conventional diffusion limiting process in DC electrolysis.     

Pt-Ir共沉积电位对电解氨水制氢的性能影响

为研究在线电解氨水为氢燃料电池供氢的可行性,采用电化学共沉积法,在不同沉积条件下制备了PtIr催化电极,用循环伏安法(CV)与计时安培法(I-t)结合电镜、XPS和XRD结构分析,研究了电极对氨水的电解催化性能。结果表明,沉积电位影响了合金催化剂的组成、晶型、晶粒尺寸等,从而进一步影响了电极在氨催化过程中的性能。当沉积电位固定,电极上的催化剂负载量、氨水电解过程中催化剂的形貌、结构、组成基本稳定。其中,-0.05 V(vs. SCE)沉积电位下制备的催化剂在氨的电解催化过程中持续性和稳定性好,催化剂的负载量和过电位也最低。利用电化学上电解氨和生成水电位上的差异,将氨电解为燃料电池供氢,在低电流密度下(<10 mA/cm²)燃料电池为氨电解池提供能量的同时仍然有40%以上的额外功率用于其他负载。     

钌基碱性电解水制氢催化剂研究进展

碱性电解水具有操作易实现、设备费用低和寿命长的特点,是目前应用最广泛的将可再生资源转化为氢能的技术。但电解水存在能耗高的问题,因此需要高效催化剂提高能量转化效率。钌具有与铂相近的金属-氢键强度,是极具前景的制氢催化剂。综述了近年来钌基催化剂的制备及其碱性电解水制氢反应的最新研究进展。与廉价过渡金属材料相比,钌基催化剂具有优异的电化学活性和稳定性,是一种很有前景的析氢材料。以目前主要研究的钌金属及其合金、钌基磷化物、钌基硫化物、钌基硒化物为代表,分别进行了简要的介绍和评价,最后提出了钌基电催化剂在制氢应用中存在的问题和未来的发展方向。     

电解水制氢的耐碱离子膜研究进展

碱性离子膜电解水制氢技术具有成本低、环境友好、可使用光伏、风电等波动性电源等优势, 近年来得到广泛关注。作为碱性电解水的核心组件,离子膜对电解槽性能、稳定性及制氢安全起着至关重要的作用。因此,开发具有良好氢氧根传导率、高度耐碱稳定性及优异阻气性的离子膜具有重要意义。本文围绕碱性电解水用离子膜材料开展论述,包含多孔隔膜、溶剂化离子膜和阴离子交换膜三个类别,从氢氧根传导率、耐碱稳定性及电池性能等角度,分析碱性电解水用离子膜的研究进展及所面临的技术难题,从膜结构与膜材料分子设计着手,为研究开发用于碱性电解水的离子膜提供新思路。