| 人们一直在寻找对氢能的利用能量损失最少的方案。很多人对电解水制氢再利用氢燃烧发电的做法不理解，认为这样来来回回的折腾，让能量大把损失掉，是非常浪费能源的一种行为。 那么从电——氢——电的过程，到底会损失多少能量呢？ 一、电解水制氢有四大方式 电解也是产生氢气的一种重要方法，而且不会生成二氧化碳。它将水通过电流电解生成氧气和可作为燃料的氢气。电流通过水时，在阴极通过还原水形成氢气；在阳极则通过氧化水形成氧气，氢气生成量大约是氧气的两倍。从目前了解到的信息得知，电解水制氢有四大方式。 1.AWE：碱性水电解水制氢 AWE电解水制氢原理示意图 2.AEM：阴离子交换膜电解水制氢 AEM电解水制氢原理示意图 3.PEM：质子交换膜电解 AEM电解水制氢原理示意图 4.SOE：高温固体氧化物电解水制氢 SOE电解水制氢原理示意图 二、详解四种方案 电解水制氢设备构造示意图 1.AWE：碱性水电解水制氢 隔膜：石棉膜 电解液：通常为20%~30%的KOH溶液 阴极、阳极：金属合金，如Ni、Mo、Mn合金等。 工作电流密度：0.25~0.5A/cm2，未来会达到0.8A/cm2。（不过据我拿到的资料显示现状国内设备供应商已经有做到0.9A/cm2） 工作温度：90度以下 产生气体压力： 目前单体最大：1250Nm3 /h。 缺点：难易快速启动和变载 优点：设备生产制造工艺成熟 2.PEM：质子交换膜电解 隔膜：质子交换膜 膜电极：由阴阳极气体扩散层、催化层、质子交换膜层构成（类似于燃料电池膜电极结构） 催化剂：碳基贵金属材料 工作温度：85度以下 工作电流密度：1~4A/cm2，未来的指标会更高。 优点：能快速启动和变载，对电力输入的适应性强。 3.AEM：阴离子交换膜电解水制氢 目前处于研发阶段，据媒体报道，AEM 电解槽的结构与 PEM 相似：由离子传导塑料制成的膜（又称离聚物）将电极分隔于膜的两侧。电极同样由离聚物制成，并掺入催化剂颗粒。“与 PEM 不同的是，AEM 的电解槽可以依靠镍基等非贵金属催化剂，从而有效减少材料成本。”Conradi 说。同 AEL 工艺，AEM 的反应将在碱性的环境中进行。水在阴极被电解，并生成氢气。AEM 电解技术的其他特点还包括可承载高电流密度、效率高、灵活性强。 4.SOE：高温固体氧化物电解水制氢 混合固态电解槽目前韩国有开发此项技术。固体氧化物电解槽（SOEC）由两个电极和一种电解质组成，它们全是固态的。它们是被强烈推荐为制氢的一种新的候选方案，因为无需补充损失掉的电解质，同时解决了腐蚀问题。除此之外，SOEC也可以工作在相对较高的温度下（700-1000 °C），这样也降低了电能损耗。 据媒体报道，混合SOEC的电极采用了具有卓越电化学性能的层状钙钛矿。通过在混合离子导电电解质中添加一种卓越的电极材料，将提升电化学性能。因此，在电解槽电压达1.5V和温度达700 °C的条件下，相应的氢气产量为每小时1.9 L。该系统的氢气生产效率是现有的水电解槽系统的4倍以上。 5.四种电解水制氢方式汇总对比，如下图 各电解水在制氢参数大概参考 三、电解水耗水量 水的消耗来自两个步骤:氢气生产和上游能量载体的生产。 1.就氢生产而言，电解水的最小消耗大约是每千克氢消耗9千克水。然而，考虑到水的脱矿过程，这一比例可以在每千克氢18到24千克水之间，甚至高达25.7到30.2。 2.光伏发电的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之间变化。 3.风力发电的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之间。 结论：光伏发电和风能产生氢气的总耗水量平均分别为32和22 kgH2O/kgH2左右。 说明：不确定性来自太阳辐射、寿命和硅含量等。 四、电解水制氢、氢气在发电的能量转移逻辑 1.电解水制氢能量效率 考虑水的纯化脱盐等过程，目前的所有电解水制氢工艺制取一公斤氢气总耗电量在50~55KWh（度），1度电对应3600KJ，50~55KWh换算成能量单位也即180000KJ~198000KJ。 1公斤氢气热值（所含能量值）：143000KJ 这个过程能量转化效率计算为： 能量转移效率：143000/（180000~198000）=72%~79% 2.氢气发电或者热电联供效率 目前氢燃料电池发电效率在40~60%，其余部分主要表现为热能。考量热电联供效率整体可以到90%左右。 3.电—氢—电的总效率 1）非热电联供：32%~48%。 2）热电联供：65%~72%。 由此可见，电解水制氢的总效率，热电连供的总效率更高，甚至几乎能达到非热电连供的一倍。因此电解水制氢未来利用方式应充分考虑冬季采暖和工业热能领域使用，这样会让其对能源的利用效率大幅提升，有利于降低能耗。(氢眼所见) 来源：国际能源网/氢能汇 |
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