堿性電解水制氫的案例
中石油千方級堿性電解水制氫智能系統投運！
DT新能源
獲悉，8月25日，中國石油自主知識產權的千方級堿性電解水制氫智能系統在獨山子石化公司成功投入運行。
據悉，該電解水制氫示范項目，用于煉油加氫，可減少化石能源的消耗，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，有助于實現碳達峰、碳中和要求。項目建設單位為中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，制氫系統由中國石油深圳新能源研究院、獨山子石化公司、中國寰球工程公司、昆侖數智科技有限責任公司聯合研發。
根據獨山子石化公示的信息，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司堿性電解水制氫系統工業試驗，項目總投資2646萬元，環保投資5.46萬元。
該項目建設地點在獨山子石化分公司煉油老區35KV北區變北側預留用地內，新建一套產氫規模為1000Nm3/h的采用堿性電解水工藝制氫試驗裝置（簡稱電解水制氫裝置），整體呈東西向布置，總占地面積 2400 m2，東側為 80 萬噸／年催化汽油加氫裝置、100萬噸/年蠟油加氫裝置，西側為預留用地，北側為預留用地，南側為 35KV 北區變。
裝置區分為兩期建設，裝置區一期占地面積為 1365 m2，裝置區二期預留用地占地面積為 1035 m2，本項目用地為一期占地。一期裝置區內各撬塊呈一字型布置，由西向東依次為：變壓器、電氣小屋、電解槽、制氫框架、純化框架、輔助設施撬塊、純水機撬塊，裝置管廊與東側系統管廊連接。
該項目將具有中石油自主知識產權的電解水制氫技術實現工業化，以利后續推廣應用。本項目的公用工程、輔助工程等依托獨山子石化現有設施。
本項目主要設備見下表。
來源：北極星氫能網
展開 可再生能源電解水制氫儲能應用前景廣闊
表1 三種典型電解制氫技術對比
由表1可以看出:堿性電解槽技術相對比較成熟，可以應用于大規模制氫，且工藝簡單，成本低，但其難以快速啟動及適應變載，無法快速調節制氫速率，與可再生能源發電適配性較差。
質子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網的波動性，且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動的領域，但當前技術還未實現大的突破，難以實現大規模商業化制氫。
固體氧化物電解制氫技術應用相較前者少的多，距離規模化制氫應用尚需相關材料和催化劑技術進一步攻關，但其能耗低、能量轉換效率高的優點將使其在未來成為主流可再生能源規模化制氫技術，因此我國應提前布局新興電解槽技術，攻關固體氧化物電解制氫技術難點。
在我國氫能市場中，堿性電解水制氫技術占據著主導地位，被更加廣泛地應用于各大型電解水制氫項目中。
近年來，因質子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性，國內新建項目逐步轉為采用質子交換膜技術耦合可再生能源發電進行規模化制氫，因此，開發新型電解槽技術，進一步提高電解水制氫效率和穩定性。
電解水制氫工藝近年來發展迅猛，不斷突破技術瓶頸，并有大批規模化電解制氫項目落地，為可再生能源電解制氫技術提供了實踐支撐。目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術為主，國外質子交換膜電解制氫技術應用實例較多。
加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。
展開 氫氣傳感器在電解水制氫出口氧中氫含量檢測中的應用
氫作為一種清潔、高效的二次能源，在現代能源體系中扮演著越來越重要的角色。電解水制氫作為一種低碳、零排放的制氫方法，利用可再生能源產生的“綠電”和純水作為原料，被寄予厚望成為未來綠氫的主要來源。然而，盡管其前景廣闊，目前綠氫在氫氣生產總量中的占比仍然較低，受限于高昂的生產成本，特別是電價和制氫裝備成本。
電解水制氫的基本原理是在直流電的作用下將水分子解離為氫氣和氧氣。根據電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫技術可分為堿性電解（AWE）、質子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解三種。每種技術都有其獨特的優勢和局限性。例如，PEM電解水制氫技術具有較高的安全性和效率，但成本較高；堿性電解水制氫技術則因其結構簡單、技術成熟、成本低廉而廣受歡迎，但效率和性能相對較低，且存在環境污染風險；而固體氧化物電解水制氫技術則具有更高的電化學性能和效率，但其高溫工作條件和啟動慢的劣勢限制了其應用場景。
無論采用哪種制氫方法，生產出的氫氣都需要達到一定的純度標準才能投入使用。電解水制氫產生的氫氣純度通常較高，可達99.9%以上。然而，在電解過程中，由于各種因素的影響，如電解槽缺陷、電極質量不均勻或操作條件不合適等，可能會導致產生的氧氣中混入微量氫氣。如果氫氣和氧氣的混合比率超過一定限度，就可能引發安全事故。
因此，在電解水制氫過程中，對氧氣中微量氫氣的實時監測至關重要。這就需要使用氫氣傳感器來檢測氫氣純度，確保氫氣質量達標。氫氣傳感器是一種能夠檢測氣體中氫氣濃度的儀表，具有靈敏度高、響應速度快、測量準確等優點。
在電解水制氫出口氧中氫含量的檢測中，常用的氫氣傳感器有熱導式氣體傳感器、半導體氫氣傳感器、電化學氫氣傳感器、催化燃氣氫氣傳感器等。
熱導式氣體傳感器的工作原理是通過測量微型機械加熱元件的溫度提升來確定氣體組分。
展開 Angew：青科大劉希恩團隊在電解水制氫領域取得新進展
導讀
近日，青島科技大學化工學院劉希恩教授團隊在電解水制氫領域取得新進展。相關研究成果以“Boosting Hydrogen Evolution Reaction byPhase Engineering andPhosphorus Doping on Ru/P-TiO2”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
可再生能源電力電解水制氫是最具發展前景的綠色可持續制氫技術。目前，堿性介質電解水制氫相較于酸性介質電解水制氫而言，技術相對成熟，應用更為廣泛。然而，在堿性介質中，首先需要發生水的解離產生質子，這使得HER在堿性介質中的動力學比酸性介質中低2~3個數量級。同時，根據Sabatier規則，高性能HER電催化劑應具有合適的氫吸附自由能。因此，協同優化堿性HER的水解離和氫脫附基元步驟至關重要但極具挑戰性。
本文設計制備了一種痕量磷摻雜的富氧缺陷二氧化鈦負載Ru團簇復合材料—Ru/P-TiO2。該材料在堿性介質中展現出類似于商業Pt/C的幾何活性，且質量活度比Pt/C提升了34.3倍。實驗結合理論計算研究表明，金紅石相TiO2基底相較于銳鈦礦相TiO2基底更有利于增強HER活性。金紅石TiO2表面豐富的氧空位有利于促進水的吸附和解離，而摻雜的P以P5+形式存在，取代部分Ti4+，有利于促使吸附氫從表面Ru位點溢流到表面P位點從而促進H2的形成。由此可見，相工程和磷摻雜協同提升了堿性HER活性。
該工作得到了山東省泰山學者人才工程、國家自然科學基金、山東省優秀青年基金等的資助。博士生周士正、Haeseong Jang、秦清教授為論文共同第一作者；劉希恩教授、秦清教授、劉尚果副教授、Prof. Cho為論文的共同通訊作者。青島科技大學為第一通訊單位。
展開 
全球最大電解水制氫項目亮相 化工巨頭寶豐能源 “氫”舞飛揚
據悉，國家級太陽能電解水制氫綜合示范項目包括20萬千瓦光伏發電裝置和產能為每小時2萬標方的電解水制氫裝置，為已知全球單廠規模最大、單臺產能最大的電解水制氫項目。目前，制氫綜合成本控制在每標方1.34元。
下一步，企業將拿出全部的折舊資金和部分利潤資金，通過科技創新提高轉化率，降低生產成本，使發電成本可控制在0.068元/度，綠氫成本可控制在0.7元/標方，打造行業成本最優曲線，開辟了一條技術、經濟可行的科學實現碳中和路徑，示范引領行業低碳轉型，為國家“碳中和”做貢獻。
據悉，寶豐能源計劃用10年完成50%碳減排，20年實現企業 “碳中和”，力爭成為行業率先實現碳中和的企業， 著力打造世界一流的科技型綠色制造企業。
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展開 氫能行業產業現狀和未來展望
1.制氫端：綠氫經濟性體現后占比將顯著提升
目前我國氫氣產能約每年4100萬噸，2021年產量約3300萬噸，位居世界第一。現階段我國的制氫方式以化石能源和工業副產氫為主，兩者合計占比達到97%。綠氫是我國達成碳達峰、碳中和的重要途徑之一，根據中國氫能聯盟的預測，預計2030年碳達峰時，我國氫氣需求量將增至3715萬噸，其中可再生能源電解制氫占比將提升至15%，供應約550萬噸的綠氫；遠期到2060年碳中和，我國氫氣需求量將達到1.3億噸，在終端能源消費的比例將達到15%，成為我國能源戰略的重要組成部分，其中可再生能源電解制氫的比例達到70%，供應約0.91億噸的綠氫。
煤制氫和天然氣制氫等化石能源制氫方式是現階段發展較為成熟、應用較為廣泛的制氫方式，且成本具有優勢；我國現有工業副產氫產能規模大，具有一定的規模成本優勢，在一定程度上能夠降低環境污染，提高資源利用效率和經濟效益，未來成為氫能綠色化過渡方案的可行性較高。電解水制氫是未來綠氫的主要來源，現階段受益于電價、折舊等成本項較高，經濟性未體現出來。
經過測算，當可再生能源電價降至 0.16 元/kWh，堿性電解和 PEM 系統電解設備價格分別降至 1000 元/kW 和 2750 元/kW 時，堿性電解水制氫和 PEM 電解水制氫成本分別是 11.64 元/kg 和 14.34 元/kg，與化石能源制氫（+CCUS技術）的成本相當；當可再生能源電價降至 0.13 元/kWh，堿性電解和 PEM 系統電解設備價格分別降至 800 元/kW 和 1400 元/kW 時，堿性電解水制氫和 PEM 電解水制氫成本分別是 9.21 元/kg 和 10.02 元/kg，與現階段的化石能源制氫成本相當。
展開 電解水制氫、氫氣發電的能量轉移邏輯
《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019）》預測 2035 年氫能占國內終端能源總量 5.9%，加氫站數量 1 500 座，燃料電池車保有量 130 萬輛。更多內容請關注微信公眾號：氫能俱樂部。國內外油氣公司，如殼牌、中石化等，將氫能作為企業轉型的重要選擇，正積極投資布局氫能產業。
1、水電解制氫
水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。國內目前有中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術研究，都尚處于研發階段。
1.1、堿性水電解制氫
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產生氫氣和氧氣。工業上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質量分數20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25 A/cm2，產生氣體壓力0.1~3.0 MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術成熟，投資、運行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設備開發是國內外堿性水電解制氫研究熱點。
展開 氫能全產業鏈解析之制氫篇：PEM電解水
綠氫是通過可再生能源發電，再通過電解水獲取氫氣。電解水制氫是在直流電的作用下，通過電化學過程將水分子分解為氫氣和氧氣，分別在陰、陽極析出。而電解水制氫目前主要有三種技術路線，即堿性電解（AWE），質子交換膜（PEM）電解以及固體氧化物（SOEC）三種技術路線。電解水制氫三種技術路線對比在以上三種技術路線中，PEM電解水制氫的效率較高，并且適用于可再能能源發電時的波動性，是當下主流也是比較有前景的電解水制氫技術，下面我們就來看一下PEM電解水制氫的技術原理。PEM電解水制氫原理與堿性電解池相比，PEM電解池用質子交換膜代替了石棉膜，傳導質子，并隔絕電極兩側的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點。同時，PEM電解池的體積更為緊湊，結構方面零間隙，極大降低了電解池的歐姆內阻，提升了整體性能。PEM電解池的結構典型的PEM電解池主要由陽極端板、陰極端板、陰陽極擴散層、陰陽極催化層以及質子交換膜組成。其中，端板的作用是固定電解池組件，并引導電流傳遞，分配水、氣，擴散層起集流，促進氣液傳遞等作用，催化層的核心是由催化劑、電子傳導介質、質子傳導介質組成的三相界面，是電化學反應的核心場所。質子交換膜一般使用全氟磺酸膜，傳遞質子，隔絕開陰陽極生成的氣體，并阻止電子的傳遞。PEM電解水技術的優點與堿性電解水相比，PEM電解水的優勢主要在于：1.由于采用的是質子交換膜固體電解質，產生的氣體無需進行脫堿處理；2.效率高于堿性電解池；3.啟停快，響應性好4.能適應可再能能源發電時的波動性。PEM電解水技術的缺點目前PEM電解水技術的缺點在于成本較高，主要是由于催化劑用到貴金屬鉑，成本一時難以降低，這一點與燃料電池面臨的問題是一樣的，如何降低催化劑的鉑載量或尋找新的低成本的替代材料，也是當前要研究并攻克的關鍵技術問題。
展開 學術干貨 | 解讀電解水制氫中的非貴金屬催化劑
例如，研究人員在鎳銅合金納米顆粒表面包覆厚度可控的純石墨碳層，形成NiCu@C核殼結構納米顆粒，并將其作為全pH范圍的析氫電催化劑。研究表明，碳殼層厚度對NiCu@C核殼結構體系的電催化析氫性能有很大的影響。由單層石墨碳包覆的NiCu納米顆粒在電催化HER中達到了最高的活性和穩定性，在pH為0，7，14的電解質溶液中達到10 mA cm-2的電流密度需要的過電位分別為48，164，74 mV。
圖7 鎳銅合金@石墨碳核殼結構用作全pH范圍的析氫電催化劑
基于Fluent軟件的PEM電解水制氫仿真分析專題培訓
課程名稱：基于Fluent軟件的PEM電解水制氫仿真分析專題培訓
預排開課日期：4/18
課程難度：進階級
培訓費：2500
備注：實際開課日期或因學員報名情況進行調整，最終日期請以笛佼科技官方確認為準。
掃碼報名
學員能力提升目標
· 了解電解水制氫的基本原理；
· 掌握Fluent PEM電解水制氫仿真分析的流程（幾何、網格及求解設置）
授課內容提綱
一、ANSYS Fluent電解水制氫模型介紹
二、基于PEM電解水制氫幾何模型準備介紹
三、基于PEM電解水制氫網格劃分技術介紹
四、基于PEM電解水制氫Fluent模型設置詳細介紹
五、基于PEM電解水制氫Fluent后處理介紹
六、Q&A
師資力量
CAE行業資深工程師團隊，學歷碩博為主，均擁有多年客戶仿真項目實操經驗，理論素養與實戰經驗雙保險。
培訓優勢
采用線下小班精講形式，理論知識+案例講解+上機輔導，附贈培訓相關資料，可獲取講師微信課后交流。
上課地址
上海市楊浦區國安路432號保輝國際大廈D座802室
其他說明
1. 培訓計算機及相關軟件操作權限由笛佼科技現場提供；
2. 培訓結束后將獲取笛佼科技官方培訓證書；
3. 培訓午餐由笛佼科技提供，交通及住宿需學員自理。
展開 氫能產業發展如何破局？與新型電力系統建設融合發展路徑探討
綠氫即可再生能源制氫以及核能制氫，制氫過程中幾乎不產生碳排放，是未來氫氣制取的主流方向。
由可再生能源電解水制氫，能有效解決可再生能源消納問題，而如何提升電解水制氫的效率，降低技術成本，是突破該項技術發展的關鍵。目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質子交換膜（PEM）電解水制氫、固態氧化物電解水制氫和陰離子交換膜（AEM）電解水制氫四種技術路線，其情況對比如表1所示。其中堿性電解水制氫技術成熟度最高，成本最低，但存在腐蝕問題，且啟停響應時間較長，不適合波動性電源。質子交換膜電解水制氫目前已實現初步商業化，其響應速度快，能適應波動性電源，但成本較高，且中國在質子交換膜等核心技術上有待進一步突破。固態氧化物電解水制氫效率高，工作溫度高，目前處于小規模示范階段。陰離子交換膜電解水制氫結合了堿性電解水制氫和質子交換膜電解水制氫的優點，成本較低，且能很好地適應波動性電源。該技術目前尚處于研發階段，生產規模受到限制。
表1. 四種電解水制氫技術對比
目前，我國氫氣供給結構中約77.3%來自于化石能源制氫，21.2%來自于工業副產氫，僅1.5%由電解水制氫提供。根據中國氫能聯盟對未來中國氫氣供給結構的預測，中短期來看，中國氫氣來源仍以化石能源制氫為主，以工業副產氫作為補充，可再生能源制氫的占比將逐年升高。到2050年，約 70%左右的氫由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氫等其他技術供給。
1.4 各類消納途徑
氫氣用途廣泛，是重要的能源介質和化工原料氣，可被廣泛應用于交通、工業等各行業。
在交通行業，以氫燃料電池為動力，可以實現車輛使用端的零碳排放。相比電動交通工具，氫動力優勢是可實現更長續航，在低溫環境下有較好適應性，同時氫氣加注速度遠高于充電速度。因此，氫動力在貨用卡車、長途汽車應用方面中有著較大先天優勢。
展開 
部分演講嘉賓已確定 | 2021可再生能源制氫論壇
綠氫成本降低的策略分析
5. 綠氫的投資機遇分析
主題二：不同來源的制氫方式
1. 光伏制氫的原理與技術現狀
2. 風電制氫的經濟性及發展前景
3. 棄風、棄光制氫潛力分析
4. 海水電解制氫技術
5. 核能制氫的新嘗試
6. 光催化制氫技術的新進展
7. 光電催化制氫技術
8. 生物質制氫技術及其研究進展
9. 液態燃料現場制氫技術
主題三：電解水制氫技術
1. 堿性電解水技術(ALK)
堿性電解水制氫的商業化現狀
2. PEM電解水制氫
可再生能源PEM電解水制氫的現狀和展望
高壓PEM制氫技術的研究
PEM水電解制氫用質子交換膜的研究進展
質子交換膜(PEM)水電解制氫用新型析氧電極研究
PEM電解水析氧催化劑研究進展
國外PEM制氫技術及案例分析
PEM電解水制氫裝置及系統解決方案
3.
展開 我國氫能行業現狀點評
工業副產氫有望迎來快速發展。
短期內，我國工業副產氣的制氫規模可進一步提高。工業副產制氫額外投入少，成本低，能夠成為氫氣供應的有效補充，具備較高經濟性，同時在工業副產氫在碳排放量方面相對于現階段電解水和化石能源制氫也具有相對優勢。電解水制氫法可持續且低污染，是長期相對更優的一種制氫方式。電解水制氫共有堿性（AWE）、質子交換膜（PEM）、固體氧化物（SOEC）和陰離子交換膜（AEM）電解等四種技術路線，其中堿性 AWE 是較早工業化的水電解技術，具有數十年的應用，技術較為成熟。
近年來，PEM 電解水技術在產業化方面發展迅速；SOEC 電解水技術處于初步示范階段；AEM 電解水的研究剛剛起步。成本方面，電解水制氫一般包括設備成本、能源成本（電力）、運營費用及原料費用，其中能源成本占比最大，一般占 40%-60%（AWE/PEM），甚至可達 80%，由電解制氫效率因素驅動，設備成本占比次之。以目前主流的堿性電解水制氫為例測算其經濟性，制氫效率約 5KWh/Nm3 ，電費成本約占 72-85%，固定成本占 7.8%，設備維護成本占 4.1%，水費占 2.8%，其經濟性受電價的影響最大，按照平均工業電價 0.6 元/KWh 計算，成本約 40-50 元/kg，電解水制氫成本遠高于其他工藝，短期應用受限。
三、氫氣的運輸和儲存是突破氫氣大規模應用瓶頸的關鍵。
在常溫常壓下，氫氣的密度只有空氣的 1/14， 即在 0 ℃時，一個標準大氣壓下，氫氣的密度為 0.0899 g/L，所以對儲氫技術具有高安全性、大容量、低成本以及取用方便的要求。儲運氫技術主要包括氣態存儲、低溫液態存儲、固態存儲、有機液態存儲。
展開 干貨分享│煉化企業制氫方式都有哪些？哪種最劃算？
中國石化氫氣產能約350萬t/a，主要來源于煤制氫、天然氣制氫和工業副產氫，可以分離提純為產品氫，滿足燃料電池車用燃料氫的需求。
3
電解水制氫
電解水制氫方法根據電解質的種類不同，可分為堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫等。堿性電解水技術已經在國內商業化應用，為替代石棉隔膜，中船重工第七一八研究所等研究機構開展了堿性陰離子交換膜電解水制氫技術的研究，相較于傳統堿性電解水技術，采用非貴金屬催化劑，成本較低、可達到更高的電解電流密度，大幅縮小電解槽體積，是未來電解水技術的重要發展方向之一。與堿性電解水相比，質子交換膜技術顯著減小了電解槽尺寸和重量，電流密度更大，對電源的波動適應性更好，是比較理想的新能源制氫技術，缺點是催化劑為貴金屬和較高的投資成本。固體氧化物電解水技術是近年來研究較多的電解水技術，由于采用高溫電解，電解所需的焓變低于低溫電解技術，因此效率高于質子交換膜(PEM)純水電解，且具有可逆的潛力，但固體氧化物電解水技術尚處于實驗室研發階段。不同電解水制氫技術的比較見表1。
電解水制氫具有綠色環保、生產靈活、純度高等特點，但其單位能耗相對于其他制氫方式較高，氫氣制取成本受電價的影響較大。
幾種制氫工藝的經濟性比較
1
工業副產氫成本分析
由于氫氣在氯堿生產、PDH和乙烷裂解工藝中并非首要產物，僅考慮其原料消耗和少量制造費用，以及氫氣提純成本，測算的副產氣體用于燃料氫的綜合成本為5~6元/kg。工業副產氫可為氫能產業發展初期提供低成本、分布式氫源。
展開 