宋 超 谢淑贤 张荣顺

（中车山东风电有限公司，山东济南  250000）

 

摘 要：随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，寻找清洁、可持续的能源生产和利用方式已经成为重要任务。电解水制氢是一种将水分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）的化学过程，通常使用电能促使这一反应发生。本文旨在深入探讨电解水制氢技术的应用意义，并分析电解水制氢技术在电力行业、化工工业、工业生产和公共交通等领域的具体应用，希望能为相关研究人员提供有益借鉴。

关键词：电解水制氢；应用；意义

中图分类号：TQ426 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2024）10-0017-03

 

0 引言

随着全球对清洁能源需求的增加和对化石燃料排放的关注，电解水制氢技术变得越来越重要，被视为未来氢能源经济的关键组成部分。基于此，探讨电解水制氢的基本原理和机制及其在不同领域的应用，通过深入了解电解水制氢的原理和应用，相关研究人员可以更好地理解电解水制氢在可持续能源领域中的潜力，为减缓气候变化和实现清洁能源目标作出贡献。

1 电解水制氢技术概述

H₂作为一种清洁、高效的能源载体，近年来逐渐受到国际社会的广泛关注。电解水制氢的基本原理是通过电解反应将水分解为H₂和O₂。当外部电压作用于两个浸入水中的电极时，水会发生分解。在阳极（通常由氧化材料制成），水分子失去电子，产生O₂和质子。而在阴极（通常由还原材料制成），质子得到电子，生成H₂。在当前技术体系下，电解水制氢的主要方式有以下几种。

（1）碱性电解水（AWE/ALK）是一种技术相对成熟的制氢方法，主要利用Ni、Co、Mn等非贵金属作为催化剂。AWE技术成熟，成本较低，但其制氢过程中可能产生的碱液和水蒸气会降低氢气纯度，因此需要额外的纯化步骤^[1]。（2）质子交换膜水解（PEM）以高电流密度、小电解槽体积和运行灵活性而受到关注，与风电和光伏等可再生能源比较匹配。尽管早期制氢成本较高，但随着技术的进步，这一方法的成本逐渐下降。（3）固体聚合物阴离子交换膜（AEM）和固体氧化物（SOE）水解两种方法目前仍处于研发和初步示范阶段，面临的主要挑战是技术突破，因此短期内实现商业化仍然具有一定难度。

2 电解水制氢技术的应用意义

2.1清洁能源生产

电解水制氢技术在清洁能源生产领域拥有巨大潜力。具体而言，采用石化工艺从化石燃料中提取H₂等生产方法，会释放大量CO₂等温室气体。相比之下，电解水制氢技术通过电解水分解为H₂和O₂，不产生任何温室气体排放，使电解水制氢成为能源的潜在替代方案，有助于减缓气候变化、提高大气质量、降低对化石燃料的依赖。另外，太阳能和风能等可再生能源具有波动性，其能源产出会随着天气条件的变化而波动。电解水制氢技术可以将多余的可再生电能用于水电解，将电能转化为H₂^[2]。在此背景下，H₂成为可储存的能源形式，能够在不同时间段和地点释放，以满足能源需求，有助于解决可再生能源波动性带来的挑战，提高生产系统的稳定性和可靠性。传统能源资源存在有限性和地缘政治风险，而电解水制氢技术可以减少对这些资源的依赖。使用可再生能源进行水电解，可以减少对进口能源的依赖，提高能源的自给自足程度。同时，电解水制氢技术具备分散性，可以在不同地点生产H₂，有助于应对自然灾害和供应中断等问题。

2.2 储能与能源转换

电解水制氢技术在储能与能源转换方面发挥着关键作用。具体而言，电解水制氢技术能够为高效能源储存提供可行性。H₂在化学反应中可以存储大量的能量，远远超过传统的电池技术。因此，电解水制氢允许将电能转化为H₂，并将其储存起来以备不时之需，可以有效解决可再生能源的波动性问题。将多余的可再生电能用于电解水制氢，能够有效平衡供需差异，提高能源系统的稳定性。电解水制氢技术在能源转换与多能互补方面具有巨大潜力。H₂可以作为能源中介，实现电能、热能和化学能之间的高效转换。例如，H₂可以用于供热或工业过程中，也可以在燃料电池中转化为电能，驱动电动车辆或发电机。多能互补的特性使H₂在不同领域之间实现能源的灵活转化，有助于提高能源利用效率，减少不必要的资源浪费。

此外，电解水制氢技术在可持续交通领域发挥着重要作用。氢燃料电池车辆使用H₂作为燃料，可以实现零排放和零噪声，为城市空气质量提高提供了可能性。通过电解水制氢，可以为车辆提供可持续的H₂源，促进清洁交通的发展，对减少交通领域对石油和其他有限资源的依赖、降低碳排放具有重要意义。

3 电解水制氢技术的具体应用 

3.1电解水制氢技术在电力行业的应用

电解水制氢作为一种先进技术，在电力行业发挥着越来越重要的作用。与锂离子电池等传统能源存储方式相比，电解水制氢具有更长的寿命、更高的存储容量以及无需稀有材料等优点。在电力行业，电解水制氢技术的主要应用领域包括能源存储、峰谷电价优化和电网调频。

（1）能源存储与调度。随着风能、太阳能等可再生能源的快速发展，有效存储间歇性能源、确保稳定供应至关重要。电解水制氢技术可以作为一种有效的能源存储手段，将电能转化为H₂，并存储在特定的压力容器中^[3]。研究数据显示，目前最大的电解水设备可以产生5000m³/h的氢气，系统效率可以达到70%左右。而H₂存储容量是锂离子电池的300倍，意味着电解水制氢技术具有巨大的潜力，可以满足长时间、大容量的能源存储需求。

（2）峰谷电价下的优化是电解水制氢技术的重要应用。传统电网往往在夜间或非高峰时段存在电量过剩的问题，而在日间高峰时段则可能出现电量不足的问题。电解水制氢技术可以在低电价时段进行电解水制氢，将电能转化为H₂并存储起来。在高峰时段，通过燃氢发电，将存储的H₂再转化为电能。据统计，电解水制氢技术的成本在最近几年已经下降了30%，使峰谷电价下的优化策略变得经济可行。

（3）电力系统的稳定与调频是电解水制氢技术的重要应用领域。传统的电网调频手段往往需要通过调整发电机的输出实现，但这种方式反应速度慢、效率低。而电解水设备可以实现快速响应，帮助电网在短时间内调整电力输出。通常情况下，电解水设备的响应时间可以达到10毫秒级，远远快于传统的调频手段，不仅能够提高电网的稳定性，也可以减少由于电网频率波动导致的设备损坏和能源浪费。

3.2电解水制氢技术在化工领域中的应用

在化工领域，H₂是一种关键的原料。传统H₂大多是通过天然气重整或煤炭气化获得的，其过程中将产生大量的碳排放。电解水制氢技术为化工领域提供了一种低碳、可持续的H₂来源，正在逐渐改变化工产业的生产模式。

（1）在合成氨生产中，H₂是不可缺少的原料。每年全球的合成氨产量超过1.5×10⁸t，需要大量H₂。传统的H₂生产方式不仅碳排放量大，而且受到天然气价格的影响，经常出现价格波动。而电解水制氢技术可以提供稳定、低碳的H₂供应。相关研究显示，采用现代的PEM电解技术，电解效率可以达到80%以上，有效降低了合成氨的生产成本。

（2）高纯度H₂的需求在半导体制造、冶金、制药等化工工业行业较普遍。传统的H₂生产方法往往需要复杂的纯化步骤，而电解水技术制取的H₂纯度通常可以达到99.9%或更高。高纯度的H₂不仅可以满足化工工业需求，而且能够减少额外的纯化步骤，降低生产成本。

（3）在精细化学品的生产中，H₂作为还原剂具有广泛应用。例如，在部分有机合成反应中，H₂可以帮助还原醇、醛或酮等有机物，产生所需化学品。电解水制氢技术可以直接为这些反应提供所需的H₂，无须依赖外部供应。

（4）随着绿色化学和可持续化学的发展，生产发展对低碳和可再生能源H₂来源的需求也在增加。电解水制氢技术恰好满足相关需求，不仅可以提供H₂，还能够作为能量存储和转化的媒介，使化工生产过程更可持续^[3]。

3.3 电解水制氢技术在工业生产中的应用

工业生产中对H₂的需求巨大，而电解水制氢技术为工业领域提供了一种新型、高效且环境友好的H₂生产方法。由于其独特的技术性能和可持续性，电解水制氢技术在多种工业生产应用中都展现出了巨大的潜力和价值，具体应用涵盖以下层面。

（1）在钢铁生产过程中，H₂是有潜力替代焦炭的还原剂。传统意义上，炼铁过程需要使用大量的焦炭作为还原剂，这一过程排放大量的CO₂。但随着“氢炼钢”的研究和试验，研究人员发现利用电解水制取的H₂可以作为还原气体，减少CO₂排放^[4]。利用H₂炼钢的方法，每生产1t钢就可以减少近2t CO₂排放。

（2）在玻璃和陶瓷制造中，H₂在部分特殊的加热和烧结过程中被用作还原剂和保护气体。利用电解水制氢技术，可以得到纯净度高、无杂质的H₂，有效保证产品的质量和性能。例如，在浮法玻璃生产中，利用高纯度H₂作为保护气体，可以确保玻璃表面的光洁度和光学性能^[5]。

（3）在纺织和纸浆工业中，传统的染料生产和固化过程往往需要大量的热能，而通过电解水制得的H₂可以作为清洁燃料，为高温过程提供所需的能量。例如，标准棉质纺织品染色过程可能需要温度达到100℃，如果采用氢燃烧提供热量，可以有效减少碳排放。通常情况下，传统的燃料为染料固化所需的能量大约是15MJ/kg，利用氢能源可以将这一数字降至10MJ/kg，显著提高能源效率。同时，纸浆工业浆液制备过程需要的温度为170℃，而传统的蒸气加热方法效率较低，碳足迹较高。利用H₂作为热源，可以有效提高温度，减少碳排放。纸张的干燥过程也可以通过氢燃料燃烧产生的热量加速。通常情况下，利用H₂替代传统热源，纸浆工业的能效可以提高10%～15%^[6]。此外，在纺织和纸浆工业中，电解水制氢技术有助于生产过程中的化学还原。例如，在纺织工业的漂白和染色过程中，H₂可以作为高效的还原剂，代替传统的化学还原剂。而在纸浆工业中，H₂可被用于还原难以处理的有机物，提高纸浆的纯净度和质量^[7]。

3.4 电解水制氢技术在公共交通中的应用

公共交通领域正面临关键转折点，电解水制氢技术提供的氢能源正在成为绿色、可持续发展的重要驱动力。基于电解水制氢技术得到的H₂，经过进一步压缩和存储，可用于驱动燃料电池车，这一技术在公共交通中的应用已经得到了广泛关注和积极响应。电解水制氢技术在公共交通中的应用具体涵盖以下层面。

（1）在城市公交领域，新能源公交车已经成为多个国家和城市交通的重要组成部分。与传统的柴油公交车相比，新能源公交车的优势明显，具有零排放、低噪声、长续航里程等优点。截至2023年9月，我国已有超过54万辆燃料电池公交车运行，其中大部分使用的H₂来源于电解水技术，每日行驶超过300km，氢气消耗约为1.2kg/100km。因此，公共交通领域每天对电解水制氢技术的需求高达数千吨。

（2）地铁和轻轨轨道交通也开始探索采用燃料电池技术。在地理环境复杂、电网难以到达的区域，燃料电池列车成为可行选择。以德国的iLint燃料电池列车为例，该列车最高时速可达140km，每次加注氢气后可行驶600～800km，几乎与传统柴油列车相当。iLint列车的燃料电池系统容量为200kW，氢气存储罐的工作压力高达350bar，每个存储罐可容纳约40kg的H₂。

4 结语

电解水制氢技术作为关键的清洁能源生产和储存技术，在满足日益增长的能源需求和应对气候变化挑战等方面具有巨大的应用潜力和重要意义。通过提供可再生能源储备、增强能源安全性以及在多个领域的具体应用，该技术有望推动社会发展朝着可持续和环保的方向迈进。未来的研究和创新将进一步推动电解水制氢技术的发展，使其广泛应用于各个领域，为全球可持续发展目标的实现作出更大贡献。

 

参考文献

[1] 张君实,宋凌珺.微重力环境电解水制氢气液分离方法研究进展[J].中外能源,2023,28(10):23-29.

[2] 宋天琦,马韵婷,张智慧.光伏耦合电解水制氢系统作为虚拟电厂资源的运行模式与经济性分析[J].发电技术,2023,44(4):465-472.

[3] 王茂辉,吴震.浅谈电解水制氢的原理及发展[J].汽车实用技术,2019(15):2.

[4] 冯华,章寒冰,叶吉超,等.基于多金属掺杂的氧化铈阳极的甲烷协助电解水制氢研究[J].化学试剂,2023,45(11):65-70.

[5] 解寅珑,云红红,白韡,等.电解水制氢气用催化剂制备及应用性能[J].化学工程师,2023,37(8):106-111.

[6] 王东,杨圣雄,肖健,等.用于电解水制氢的MXene基电催化剂的研究进展[J].武汉工程大学学报,2023,45(4):364-377,412.

[7] 胡平,孙强,张少逸,等.基于双碳背景下光伏直流耦合PEM电解水制氢研究[J].广东化工,2023,50(14):1-3.

 

作者简介：宋超（1976—），男，山东济南人，高级工程师，研究方向：化工设备设计及制造。

 

Hydrogen Production by Electrolysis of Water and Application

SONG Chao,XIE Shuxian,ZHANG Rongshun

(CRRC Shandong Wind Power Co., Ltd., Jinan  Shandong  250000)

Abstract:With the increasing global energy demand and the increasingly serious environmental problems, it has become an important task to find a clean and sustainable way of energy production and utilization in the world. Hydrogen production by electrolysis of water is a chemical process that decomposes water into hydrogen (H₂) and oxygen (O₂). Electric energy is usually used to promote this reaction. The purpose of this study is to deeply explore the application significance of electrolytic water hydrogen production technology, and to analyze the specific application of electrolytic water hydrogen production technology in the fields of power industry, chemical industry, industrial production and public transportation, hoping to provide useful reference for relevant researchers.

Key words:electrolysis of water to produce hydrogen;application;meaning