近日，中國(guó)華電集團(tuán)有限公司“華瀚”—200型3.0兆帕單堆兆瓦級(jí)質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽在華電青海德令哈0.3萬(wàn)千瓦光伏發(fā)電PEM電解水制氫示范站實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用落地。這標(biāo)志著中國(guó)華電打通了PEM制氫設(shè)備在關(guān)鍵材料、核心部件、裝置及系統(tǒng)集成方面的產(chǎn)品化通道，并在高海拔、高寒地區(qū)工程應(yīng)用中得到可靠驗(yàn)證。

電解水制氫兩種路線并存

根據(jù)生產(chǎn)來(lái)源和生產(chǎn)過(guò)程中的排放情況，氫能可以被分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。其中，綠氫可通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電直接制取，生產(chǎn)過(guò)程中基本不產(chǎn)生溫室氣體，是實(shí)打?qū)嵉木G色能源。

綠氫的主要制取方法是電解水制氫。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的電解水制氫技術(shù)路線主要有兩種。一種是發(fā)展最早、商業(yè)化應(yīng)用規(guī)模最大的堿性電解水制氫，另一種則是起步較晚但發(fā)展迅速的PEM電解水制氫。

電解水制氫的基本原理并不復(fù)雜。在充滿水的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，被分解成氫氣和氧氣。氫氣聚集在陰極，氧氣聚焦在陽(yáng)極，隨后可對(duì)二者分別進(jìn)行收集。但由于純水電離度很小，導(dǎo)電性極差，因此，為了提升溶液的導(dǎo)電能力，使水分子能夠順利被電解，水中往往還要加入電解質(zhì)，來(lái)增加離子濃度，提升電解的效率。

目前應(yīng)用最為廣泛的堿性電解水制氫技術(shù)，便是在水中加入氫氧化鈉或氫氧化鉀，使其成為液態(tài)電解質(zhì)。但這還不夠。在工業(yè)應(yīng)用中，為了防止生成的氧氣與氫氣發(fā)生混合增加安全風(fēng)險(xiǎn)，降低氫氣收集效率，通常還要在電解質(zhì)溶液中間插入一個(gè)隔膜，從而將生成后的兩種氣體有效分隔，防止混合。這種隔膜上密布著直徑極小的孔洞。它能使電解液穿過(guò)隔膜，自由流動(dòng)，從而氫離子也可以運(yùn)動(dòng)到陰極與電子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，但同時(shí)其孔洞的直徑又不足以讓氫氣與氧氣相互滲透，從而起到分隔二者的作用。

堿性電解水制氫工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模生產(chǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。華電氫能事業(yè)部總經(jīng)理助理王昕向記者介紹，堿性電解水制氫使用的堿性溶液，帶有一定腐蝕性，一旦出現(xiàn)泄漏會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定程度污染。其產(chǎn)生的氣體通常還需要進(jìn)行脫堿處理，增加了工藝流程。此外，即使有隔膜存在，堿性電解水制氫也無(wú)法徹底隔絕氫氣與氧氣的互相滲透，從而導(dǎo)致制氫效率降低。

新裝備匹配新能源

與堿性電解水制氫相比，PEM制氫技術(shù)最大的不同在于，PEM制氫使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代了堿性電解水制氫中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)。因此，PEM制氫可以直接使用純水作為電解水制氫的原料，從而避免了潛在的堿液污染和腐蝕問(wèn)題。

PEM電解水制氫的基本原理是，當(dāng)PEM電解槽運(yùn)行時(shí)，水分子會(huì)在陽(yáng)極側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，生成氧氣和氫離子。氫離子在電場(chǎng)的作用下，穿過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)至陰極，并在陰極側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子生成氫氣。反應(yīng)后的氫氣和氧氣將通過(guò)陰陽(yáng)極的雙極板收集并輸送。

質(zhì)子交換膜在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種膜不僅可以充當(dāng)電解質(zhì)導(dǎo)電，還是一種選擇性透過(guò)氫離子的隔膜。其內(nèi)部有磺酸基團(tuán)為氫離子的傳輸提供通道，并且其本身是無(wú)孔的，因此可以在滿足氫離子傳輸條件的同時(shí)具有較高的隔氣性，防止生成的氧氣與氫氣混合。

PEM制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還不止于此。王昕表示，和堿性電解水制氫技術(shù)相比，PEM電解水制氫技術(shù)具有電流密度大、氫氣純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。尤其是其具備快速啟動(dòng)停止和快速功率調(diào)節(jié)響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。“PEM電解槽的冷啟動(dòng)時(shí)間在秒級(jí)，而堿性電解槽的啟動(dòng)時(shí)間則達(dá)到幾十分鐘。因此PEM更加適合新能源發(fā)電波動(dòng)性輸入的特點(diǎn)，能夠與綠電更好地配合。”王昕說(shuō)。

一個(gè)PEM電解槽往往由上百個(gè)產(chǎn)氣小室并聯(lián)堆疊而成。王昕介紹，此次研發(fā)的新型PEM電解槽其單小室的活性面積達(dá)到了3000平方厘米，遠(yuǎn)超此前業(yè)界普遍的1500—2000平方厘米活性面積。“活性面積更大，意味著單個(gè)小室的產(chǎn)氣量更大，在總的產(chǎn)氣量不變的情況下，小室堆疊的級(jí)數(shù)更少，材料及功耗成本都更有優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品高度也更低，便于裝配應(yīng)用。”王昕說(shuō)。

此外，該新型PEM電解槽還應(yīng)用了中國(guó)華電自主研發(fā)的分級(jí)預(yù)緊力壓裝技術(shù)。“電解槽是一個(gè)個(gè)小室堆疊在一起，中間會(huì)有一些彈性壓縮的余量。要保證每一層小室內(nèi)的壓縮量是均勻的，并且在高壓情況下不能泄漏，需要許多工藝上的創(chuàng)新。”王昕表示，得益于分級(jí)預(yù)緊力壓裝技術(shù)，該型PME電解槽在氣密性及泄漏率等方面的測(cè)試結(jié)果均好于預(yù)期以及國(guó)標(biāo)。他表示，接下來(lái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)完善該型產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系，通過(guò)規(guī)模化采購(gòu)降低成本，進(jìn)一步提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。