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宋?超?謝淑賢?張榮順

（中車山東風電有限公司，山東濟南  250000）

 

摘?要：隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益嚴重，尋找清潔、可持續的能源生產和利用方式已經成為重要任務。電解水制氫是一種將水分解為氫氣（H₂）和氧氣（O₂）的化學過程，通常使用電能促使這一反應發生。本文旨在深入探討電解水制氫技術的應用意義，并分析電解水制氫技術在電力行業、化工工業、工業生產和公共交通等領域的具體應用，希望能為相關研究人員提供有益借鑒。

關鍵詞：電解水制氫；應用；意義

中圖分類號：TQ426 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2024）10-0017-03

 

0 引言

隨著全球對清潔能源需求的增加和對化石燃料排放的關注，電解水制氫技術變得越來越重要，被視為未來氫能源經濟的關鍵組成部分。基于此，探討電解水制氫的基本原理和機制及其在不同領域的應用，通過深入了解電解水制氫的原理和應用，相關研究人員可以更好地理解電解水制氫在可持續能源領域中的潛力，為減緩氣候變化和實現清潔能源目標作出貢獻。

1 電解水制氫技術概述

H₂作為一種清潔、高效的能源載體，近年來逐漸受到國際社會的廣泛關注。電解水制氫的基本原理是通過電解反應將水分解為H₂和O₂。當外部電壓作用于兩個浸入水中的電極時，水會發生分解。在陽極（通常由氧化材料制成），水分子失去電子，產生O₂和質子。而在陰極（通常由還原材料制成），質子得到電子，生成H₂。在當前技術體系下，電解水制氫的主要方式有以下幾種。

（1）堿性電解水（AWE/ALK）是一種技術相對成熟的制氫方法，主要利用Ni、Co、Mn等非貴金屬作為催化劑。AWE技術成熟，成本較低，但其制氫過程中可能產生的堿液和水蒸氣會降低氫氣純度，因此需要額外的純化步驟^[1]。（2）質子交換膜水解（PEM）以高電流密度、小電解槽體積和運行靈活性而受到關注，與風電和光伏等可再生能源比較匹配。盡管早期制氫成本較高，但隨著技術的進步，這一方法的成本逐漸下降。（3）固體聚合物陰離子交換膜（AEM）和固體氧化物（SOE）水解兩種方法目前仍處于研發和初步示范階段，面臨的主要挑戰是技術突破，因此短期內實現商業化仍然具有一定難度。

2 電解水制氫技術的應用意義

2.1清潔能源生產

電解水制氫技術在清潔能源生產領域擁有巨大潛力。具體而言，采用石化工藝從化石燃料中提取H₂等生產方法，會釋放大量CO₂等溫室氣體。相比之下，電解水制氫技術通過電解水分解為H₂和O₂，不產生任何溫室氣體排放，使電解水制氫成為能源的潛在替代方案，有助于減緩氣候變化、提高大氣質量、降低對化石燃料的依賴。另外，太陽能和風能等可再生能源具有波動性，其能源產出會隨著天氣條件的變化而波動。電解水制氫技術可以將多余的可再生電能用于水電解，將電能轉化為H₂^[2]。在此背景下，H₂成為可儲存的能源形式，能夠在不同時間段和地點釋放，以滿足能源需求，有助于解決可再生能源波動性帶來的挑戰，提高生產系統的穩定性和可靠性。傳統能源資源存在有限性和地緣政治風險，而電解水制氫技術可以減少對這些資源的依賴。使用可再生能源進行水電解，可以減少對進口能源的依賴，提高能源的自給自足程度。同時，電解水制氫技術具備分散性，可以在不同地點生產H₂，有助于應對自然災害和供應中斷等問題。

2.2 儲能與能源轉換

電解水制氫技術在儲能與能源轉換方面發揮著關鍵作用。具體而言，電解水制氫技術能夠為高效能源儲存提供可行性。H₂在化學反應中可以存儲大量的能量，遠遠超過傳統的電池技術。因此，電解水制氫允許將電能轉化為H₂，并將其儲存起來以備不時之需，可以有效解決可再生能源的波動性問題。將多余的可再生電能用于電解水制氫，能夠有效平衡供需差異，提高能源系統的穩定性。電解水制氫技術在能源轉換與多能互補方面具有巨大潛力。H₂可以作為能源中介，實現電能、熱能和化學能之間的高效轉換。例如，H₂可以用于供熱或工業過程中，也可以在燃料電池中轉化為電能，驅動電動車輛或發電機。多能互補的特性使H₂在不同領域之間實現能源的靈活轉化，有助于提高能源利用效率，減少不必要的資源浪費。

此外，電解水制氫技術在可持續交通領域發揮著重要作用。氫燃料電池車輛使用H₂作為燃料，可以實現零排放和零噪聲，為城市空氣質量提高提供了可能性。通過電解水制氫，可以為車輛提供可持續的H₂源，促進清潔交通的發展，對減少交通領域對石油和其他有限資源的依賴、降低碳排放具有重要意義。

3 電解水制氫技術的具體應用 

3.1電解水制氫技術在電力行業的應用

電解水制氫作為一種先進技術，在電力行業發揮著越來越重要的作用。與鋰離子電池等傳統能源存儲方式相比，電解水制氫具有更長的壽命、更高的存儲容量以及無需稀有材料等優點。在電力行業，電解水制氫技術的主要應用領域包括能源存儲、峰谷電價優化和電網調頻。

（1）能源存儲與調度。隨著風能、太陽能等可再生能源的快速發展，有效存儲間歇性能源、確保穩定供應至關重要。電解水制氫技術可以作為一種有效的能源存儲手段，將電能轉化為H₂，并存儲在特定的壓力容器中^[3]。研究數據顯示，目前最大的電解水設備可以產生5000m³/h的氫氣，系統效率可以達到70%左右。而H₂存儲容量是鋰離子電池的300倍，意味著電解水制氫技術具有巨大的潛力，可以滿足長時間、大容量的能源存儲需求。

（2）峰谷電價下的優化是電解水制氫技術的重要應用。傳統電網往往在夜間或非高峰時段存在電量過剩的問題，而在日間高峰時段則可能出現電量不足的問題。電解水制氫技術可以在低電價時段進行電解水制氫，將電能轉化為H₂并存儲起來。在高峰時段，通過燃氫發電，將存儲的H₂再轉化為電能。據統計，電解水制氫技術的成本在最近幾年已經下降了30%，使峰谷電價下的優化策略變得經濟可行。

（3）電力系統的穩定與調頻是電解水制氫技術的重要應用領域。傳統的電網調頻手段往往需要通過調整發電機的輸出實現，但這種方式反應速度慢、效率低。而電解水設備可以實現快速響應，幫助電網在短時間內調整電力輸出。通常情況下，電解水設備的響應時間可以達到10毫秒級，遠遠快于傳統的調頻手段，不僅能夠提高電網的穩定性，也可以減少由于電網頻率波動導致的設備損壞和能源浪費。

3.2電解水制氫技術在化工領域中的應用

在化工領域，H₂是一種關鍵的原料。傳統H₂大多是通過天然氣重整或煤炭氣化獲得的，其過程中將產生大量的碳排放。電解水制氫技術為化工領域提供了一種低碳、可持續的H₂來源，正在逐漸改變化工產業的生產模式。

（1）在合成氨生產中，H₂是不可缺少的原料。每年全球的合成氨產量超過1.5×10⁸t，需要大量H₂。傳統的H₂生產方式不僅碳排放量大，而且受到天然氣價格的影響，經常出現價格波動。而電解水制氫技術可以提供穩定、低碳的H₂供應。相關研究顯示，采用現代的PEM電解技術，電解效率可以達到80%以上，有效降低了合成氨的生產成本。

（2）高純度H₂的需求在半導體制造、冶金、制藥等化工工業行業較普遍。傳統的H₂生產方法往往需要復雜的純化步驟，而電解水技術制取的H₂純度通常可以達到99.9%或更高。高純度的H₂不僅可以滿足化工工業需求，而且能夠減少額外的純化步驟，降低生產成本。

（3）在精細化學品的生產中，H₂作為還原劑具有廣泛應用。例如，在部分有機合成反應中，H₂可以幫助還原醇、醛或酮等有機物，產生所需化學品。電解水制氫技術可以直接為這些反應提供所需的H₂，無須依賴外部供應。

（4）隨著綠色化學和可持續化學的發展，生產發展對低碳和可再生能源H₂來源的需求也在增加。電解水制氫技術恰好滿足相關需求，不僅可以提供H₂，還能夠作為能量存儲和轉化的媒介，使化工生產過程更可持續^[3]。

3.3 電解水制氫技術在工業生產中的應用

工業生產中對H₂的需求巨大，而電解水制氫技術為工業領域提供了一種新型、高效且環境友好的H₂生產方法。由于其獨特的技術性能和可持續性，電解水制氫技術在多種工業生產應用中都展現出了巨大的潛力和價值，具體應用涵蓋以下層面。

（1）在鋼鐵生產過程中，H₂是有潛力替代焦炭的還原劑。傳統意義上，煉鐵過程需要使用大量的焦炭作為還原劑，這一過程排放大量的CO₂。但隨著“氫煉鋼”的研究和試驗，研究人員發現利用電解水制取的H₂可以作為還原氣體，減少CO₂排放^[4]。利用H₂煉鋼的方法，每生產1t鋼就可以減少近2t CO₂排放。

（2）在玻璃和陶瓷制造中，H₂在部分特殊的加熱和燒結過程中被用作還原劑和保護氣體。利用電解水制氫技術，可以得到純凈度高、無雜質的H₂，有效保證產品的質量和性能。例如，在浮法玻璃生產中，利用高純度H₂作為保護氣體，可以確保玻璃表面的光潔度和光學性能^[5]。

（3）在紡織和紙漿工業中，傳統的染料生產和固化過程往往需要大量的熱能，而通過電解水制得的H₂可以作為清潔燃料，為高溫過程提供所需的能量。例如，標準棉質紡織品染色過程可能需要溫度達到100℃，如果采用氫燃燒提供熱量，可以有效減少碳排放。通常情況下，傳統的燃料為染料固化所需的能量大約是15MJ/kg，利用氫能源可以將這一數字降至10MJ/kg，顯著提高能源效率。同時，紙漿工業漿液制備過程需要的溫度為170℃，而傳統的蒸氣加熱方法效率較低，碳足跡較高。利用H₂作為熱源，可以有效提高溫度，減少碳排放。紙張的干燥過程也可以通過氫燃料燃燒產生的熱量加速。通常情況下，利用H₂替代傳統熱源，紙漿工業的能效可以提高10%～15%^[6]。此外，在紡織和紙漿工業中，電解水制氫技術有助于生產過程中的化學還原。例如，在紡織工業的漂白和染色過程中，H₂可以作為高效的還原劑，代替傳統的化學還原劑。而在紙漿工業中，H₂可被用于還原難以處理的有機物，提高紙漿的純凈度和質量^[7]。

3.4 電解水制氫技術在公共交通中的應用

公共交通領域正面臨關鍵轉折點，電解水制氫技術提供的氫能源正在成為綠色、可持續發展的重要驅動力。基于電解水制氫技術得到的H₂，經過進一步壓縮和存儲，可用于驅動燃料電池車，這一技術在公共交通中的應用已經得到了廣泛關注和積極響應。電解水制氫技術在公共交通中的應用具體涵蓋以下層面。

（1）在城市公交領域，新能源公交車已經成為多個國家和城市交通的重要組成部分。與傳統的柴油公交車相比，新能源公交車的優勢明顯，具有零排放、低噪聲、長續航里程等優點。截至2023年9月，我國已有超過54萬輛燃料電池公交車運行，其中大部分使用的H₂來源于電解水技術，每日行駛超過300km，氫氣消耗約為1.2kg/100km。因此，公共交通領域每天對電解水制氫技術的需求高達數千噸。

（2）地鐵和輕軌軌道交通也開始探索采用燃料電池技術。在地理環境復雜、電網難以到達的區域，燃料電池列車成為可行選擇。以德國的iLint燃料電池列車為例，該列車最高時速可達140km，每次加注氫氣后可行駛600～800km，幾乎與傳統柴油列車相當。iLint列車的燃料電池系統容量為200kW，氫氣存儲罐的工作壓力高達350bar，每個存儲罐可容納約40kg的H₂。

4 結語

電解水制氫技術作為關鍵的清潔能源生產和儲存技術，在滿足日益增長的能源需求和應對氣候變化挑戰等方面具有巨大的應用潛力和重要意義。通過提供可再生能源儲備、增強能源安全性以及在多個領域的具體應用，該技術有望推動社會發展朝著可持續和環保的方向邁進。未來的研究和創新將進一步推動電解水制氫技術的發展，使其廣泛應用于各個領域，為全球可持續發展目標的實現作出更大貢獻。

 

參考文獻

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作者簡介：宋超（1976—），男，山東濟南人，高級工程師，研究方向：化工設備設計及制造。

 

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