工業(yè)水電解制氫技術(shù)的 發(fā)展與應(yīng)用
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工業(yè)水電解制氫技術(shù)的
發(fā)展與應(yīng)用
文 ｜ 王慶斌 薛賀來(lái) 趙宇 楊奇中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所 河北邯鄲 056027
【摘 要】 本文概要的介紹了國(guó)內(nèi)外工業(yè)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展情況和氫氣的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】水電解 電解槽 電極 隔膜
一、引言
1．水電解制氫技術(shù)的發(fā)展軌跡
自從1800年尼爾森等人成功
地將水電解成氫氣和氧氣以來(lái)，
水電解制氫技術(shù)得到了飛速的發(fā)
展。但在上個(gè)世紀(jì)50年代初期，
人們開(kāi)始從碳?xì)浠衔镏兄迫〈?br />
量廉價(jià)的氫氣，使水電解制氫技
術(shù)的發(fā)展受到了一定的限制。從
1955年~1975年二十年間，采取水
電解制氫方式得到的氫氣不足世
界氫氣總產(chǎn)量的2%，水電解槽的
銷(xiāo)量也極度萎縮，水電解制氫技
術(shù)的研制僅集中在宇航和軍用裝
置上。
2．水電解制氫技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)
近二十年來(lái)，由于工業(yè)生產(chǎn)
的飛速發(fā)展和能源的日漸短缺，
氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)氫
氣的需求量也在逐年的增加。據(jù)
美國(guó)氫氣協(xié)會(huì)分析，2007年全球
年生產(chǎn)氫氣超過(guò)5000萬(wàn)噸，氫能
作為低碳和零碳能源正在脫穎而
出。因此專(zhuān)家普遍認(rèn)為，氫能的
大量利用將在10多年后。因此，
水電解制氫技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研制受
到各國(guó)政府的越來(lái)越高的重視與
支持。近年來(lái)，我國(guó)和美國(guó)、日本、
加拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)
展規(guī)劃，把發(fā)展氫能源作為21世
紀(jì)新能源的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前我國(guó)
已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)
展，在不久的將來(lái)有望成為氫能
技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國(guó)家之一。
二、 工業(yè)水電解制氫技術(shù)的發(fā)
展概況
1．國(guó)外水電解制氫技術(shù)的發(fā)展
世界上有數(shù)十家公司和科研
單位在研究和開(kāi)發(fā)水電解制氫技
術(shù)，并取得了很大進(jìn)展。
如：加拿大的多倫多電解槽
有限公司、美國(guó)的德利戴恩和通
用電氣公司、德國(guó)的魯奇公司、
意大利米蘭的De Nera公司、挪
威的海德魯公司和日本的陽(yáng)光制
造所，以及英、法等國(guó)家都在研
究水電解制氫技術(shù)。加拿大多倫
多電解槽有限公司主要生產(chǎn)箱式
單極電解槽，挪威的海德魯公司
和意大利米蘭的De Nera公司以
大型常壓電解槽為主，意大利曾
為印度建造一臺(tái)3350m3/h制氫設(shè)
備。美國(guó)的通用電氣公司主要為
宇航和核潛艇研制固體聚合物電
解質(zhì)制氫（氧）裝置。
工業(yè)電解槽的發(fā)展具有代表
性的是美國(guó)的德利戴恩公司和德
國(guó)的魯奇公司。
美國(guó)的德利戴恩（Teledyne）公司
該公司直到1967年才開(kāi)始研
制燃料電池和電解制氫技術(shù)。在
1971年， 該公司取得了Allis-
Chalmers公司的技術(shù)后， 在隔
膜和電極方面作了些改進(jìn)，生產(chǎn)
小型、中型和大型三種型號(hào)的水
電解制氫設(shè)備。小型電解槽的
產(chǎn)量為0.3~0.6m3/h， 工作溫度
在56~110 ℃ 之間， 工作壓力在
0.2~0.7MPa，氫氣純度達(dá)99.9%，
電解液為25%的KOH溶液， 采
用自然循環(huán)，不要求循環(huán)泵。氫
氣主要用作生產(chǎn)氣體色譜儀的載
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氣和火燃離子儀的燃料氣體；中
型電解槽的產(chǎn)氫量為0.3~12m3/
h，亦為自然循環(huán)，采用程序控
制并設(shè)有聲光報(bào)警系統(tǒng)。氫氣純
度達(dá)99.998%（帶干燥裝置），系
統(tǒng)的工作壓力為0.7MPa， 環(huán)境
溫度為5~49 ℃， 單位直流電耗
為5.3~6.1Kwh/m3H2 ； 所謂大
型電解槽的產(chǎn)氫量為28~42m3/
h，采用微機(jī)全自控，并能連續(xù)
表1 工業(yè)水電解制氫裝置的現(xiàn)狀與研制
機(jī)構(gòu)/制造商現(xiàn)狀/技術(shù)性能進(jìn)一步研制
Norsk Hydro
(挪威)
? 壓濾式雙極性電解槽
? 石棉隔膜和活化的陰極
? 電流密度2500A/m2
? 小室電壓1.8V；
? 直流電耗4.3Kwh/m3H2，
? 工作溫度80℃，
? 電解液25%KOH溶液
大容量（5~10KA）
新型電解槽
Electrolyzer，Inc.
(加拿大)
? 100KA單極性普通Ⅰ型電解槽
? 合理的活化
? 電流密度2500A/m2
? 小室電壓1.85V；
? 直流電耗4.4Kwh/m3H2，
? 工作溫度70℃，
? 電解液25%KOH溶液
? 到目前已操作7000小時(shí)
為設(shè)計(jì)35MW的裝置
進(jìn)行長(zhǎng)期性能試驗(yàn)
Asahi Glass
(日本)
? 全氟羥化隔膜
? 活化的陰極/改進(jìn)的拉尼鎳陽(yáng)極
? 電流密度4000A/m2
? 小室電壓1.7V；
? 直流電耗4.4Kwh/m3H2，
? 工作溫度110℃，
? 電解液30%KOH溶液
? 零間隙
繼續(xù)進(jìn)行壽命試驗(yàn)
Inorganic Membrance
Technology
( 比利時(shí))
? 多銻酸為基礎(chǔ)的無(wú)極隔膜雙極性電
解槽
? NiS陰極，NiCo尖晶石作為陽(yáng)極催
化劑
? 電流密度10000A/m2
? 小室電壓1.75V；
? 直流電耗4.17Kwh/m3H2，
? 工作溫度120℃，
? 電解液25%KOH溶液到目前已操作
7000小時(shí)
1MW模型樣機(jī)的研
制
Teledyne Energy
System
(美國(guó))
? HGS電解槽樣機(jī)，
? 直流電耗5.3Kwh/m3H2
? 應(yīng)用于各種容量發(fā)電機(jī)組的冷卻
改進(jìn)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng)的可靠性
監(jiān)測(cè)各種運(yùn)行參數(shù)，采用強(qiáng)制循
環(huán)。其主要技術(shù)參數(shù)是：工作壓
力為0.42~0.91MPa，氫氣純度達(dá)
99.998%（帶干燥裝置），直流電
耗為6.4Kwh/m3H2 ；
德國(guó)魯奇（Lurgi）公司主要
生產(chǎn)大型的工業(yè)水電解制氫裝置，
產(chǎn)氫量通常在110~750m3/h。電
解槽采用壓制的石棉隔膜，電極
為鍍鎳鋼板，副極網(wǎng)為壓制的金
屬網(wǎng)，槽體的密封材料采用聚四
氟乙烯，電解液為25%的KOH溶
液，系統(tǒng)的工作壓力為3.0MPa，
工作溫度在90℃，小室電壓1.9V，
單位直流電耗為4.3~4.6Kwh/
m3H2。制氫系統(tǒng)可隨著氫儲(chǔ)罐壓
力的升高自動(dòng)的調(diào)節(jié)直流電流的
大小來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量。
2、我國(guó)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展
我國(guó)水電解制氫技術(shù)的發(fā)展，
經(jīng)歷了從小到大、從常壓到加壓、
從手動(dòng)控制到PLC全自動(dòng)控制的
發(fā)展歷程。1985年以前，我國(guó)工
業(yè)水電解制氫裝置以常壓設(shè)備為
主。1985年以后，我國(guó)水電解制
氫裝置得到了飛速發(fā)展，逐漸以
加壓設(shè)備取代了常壓水電解制氫
裝置。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)幾家主要從事制
氫裝置生產(chǎn)的公司，均是通過(guò)718
所取得的生產(chǎn)技術(shù)，故下面著重
介紹一下718所水電解制氫技術(shù)的
研制和發(fā)展概況。
上個(gè)世紀(jì)60年代，718所為國(guó)
防軍工建設(shè)開(kāi)始水電解制氫技術(shù)
的研究。
1979年，開(kāi)始承擔(dān)民品任務(wù)，
開(kāi)發(fā)成功了國(guó)家氣象局2m3/h氣象
制氫裝置。目前，全國(guó)的所有氣
象臺(tái)站，基本都配置了718所的氣
象制氫裝置；
1985年，在原來(lái)軍品的基礎(chǔ)
上開(kāi)發(fā)研制出我國(guó)首臺(tái)采用可編
程控制的加壓水電解制氫裝置，
填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；
1994年，成功地開(kāi)發(fā)出微機(jī)
全自動(dòng)控制的80m3/h制氫裝置，
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性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平；
1997年，通過(guò)與挪威海德魯
公司的技術(shù)合作，研制成功了無(wú)
石棉隔膜電解槽，得到了國(guó)際市
場(chǎng)的通行證。上個(gè)世紀(jì)90年代，
已大量出口到歐洲市場(chǎng)。
新世紀(jì)的到來(lái)，718所面臨新
的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。除加強(qiáng)新產(chǎn)品的
開(kāi)發(fā)力度外，同時(shí)利用國(guó)家的保
障條件建設(shè)，增添了許多大型實(shí)
驗(yàn)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)備，為軍品科研
和民品開(kāi)發(fā)增添了新的活力。
2000年，開(kāi)發(fā)研制成功當(dāng)時(shí)
國(guó)內(nèi)產(chǎn)氣量最大的250m3/h的制
氫裝置，出口伊朗；
2001年，研制開(kāi)發(fā)成功電廠
專(zhuān)用無(wú)人值守的一體化制氫裝置。
目前， 全國(guó)所有的火電廠60%-
70%都配備了該型裝置；
2002年，研制開(kāi)發(fā)成功我國(guó)
首臺(tái)集裝式水電解制氫設(shè)備，不
需廠房，整套設(shè)備集中裝在集裝
箱內(nèi)，形成獨(dú)立的氫站；
2003年，研制開(kāi)發(fā)成功產(chǎn)氣
量為350m3/h的制氫裝置， 再創(chuàng)
中國(guó)之最。目前已成為多晶硅生
產(chǎn)廠家的首選機(jī)型，擁有全國(guó)一
半以上的市場(chǎng)份額；
2004年，研制開(kāi)發(fā)成功1.5m3/
h車(chē)載式水電解制氫設(shè)備，機(jī)動(dòng)性
強(qiáng)，在神舟系列發(fā)射、512汶川大
地震、奧保、國(guó)慶60年安保等活
動(dòng)的氣象保障工作中發(fā)揮了重要
的作用；
2008年，研制開(kāi)發(fā)成功產(chǎn)氣
量為600m3/h 的制氫裝置，使用
了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)石棉隔膜，
攻克了操作溫度制約的瓶頸，有
效降低了能耗，使我國(guó)水電解制
氫技術(shù)成功的站在世界的最前端。
由于設(shè)備成本的大幅度降低，也
使大規(guī)模制氫的模式成為可能。
SPE水電解制氫技術(shù)是當(dāng)今
世界電解效率最高的一種制氫技
術(shù)，目前，只有美、日等幾個(gè)國(guó)
家掌握了此技術(shù)。不管是軍用還
是民用都具有廣闊的發(fā)展前景。
作為國(guó)內(nèi)唯一從事水電解制氫技
術(shù)研究的專(zhuān)業(yè)科研院所，718所從
上個(gè)世紀(jì)80年代初，就一直跟蹤
國(guó)外的發(fā)展概況，經(jīng)過(guò)多年的調(diào)
研和技術(shù)論證，于上個(gè)世紀(jì)末立
題，開(kāi)展SPE技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)
十幾年的研發(fā)，目前已取得了突
破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。
優(yōu)質(zhì)的電解石棉布是水電解
制氫裝置質(zhì)量的保證。傳統(tǒng)石棉
隔膜，當(dāng)操作溫度超過(guò)90 ℃時(shí)，
石棉隔膜的腐蝕率也上升，同時(shí)
還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，降低機(jī)械強(qiáng)
度，造成氣體純度下降，裝置壽
命縮短，嚴(yán)重的還會(huì)造成重大安
全隱患。石棉是致癌物，許多發(fā)
達(dá)國(guó)家已頒布法令禁止使用。石
棉原料礦儲(chǔ)量有限，近年來(lái)，優(yōu)
質(zhì)原料已越來(lái)越少，總產(chǎn)量已不
能滿足國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)單位的需求。
有些單位無(wú)奈之下，降低使用要
求，已給許多用戶造成損失甚至
發(fā)生事故。故研制新型的隔膜替
代石棉隔膜有著重要的意義。
718所2005年立題， 經(jīng)過(guò)幾
年的努力，取得了階段性的進(jìn)展。
2007年研制出具有自己獨(dú)立知識(shí)
產(chǎn)權(quán)的無(wú)石棉隔膜，應(yīng)用到產(chǎn)氫
量從0.5立方每小時(shí)到600立方每
小時(shí)的各種型號(hào)的裝置上，數(shù)量
近百臺(tái)，經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的運(yùn)行，各
項(xiàng)性能穩(wěn)定，單位氣體能耗比石
棉電解槽降低5%以上，取得了良
好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，徹底打破
了國(guó)外的壟斷。
開(kāi)發(fā)研制新型電極催化材料，
提高電流密度，提高電解槽效率，
配合無(wú)石棉隔膜的應(yīng)用，通過(guò)提
高操作溫度來(lái)改進(jìn)電解槽的效率，
降低制氫成本，是發(fā)展高效先進(jìn)
電解槽的必由之路。
四十多年來(lái)，718所在該領(lǐng)
域已取得數(shù)十項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利，廣泛
應(yīng)用于電子、電力、冶金、化工、
建材、新能源、宇航、氣象和軍
用工程，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出
了貢獻(xiàn)。
三、 水電解制氫技術(shù)的應(yīng)用和
意義
1．傳統(tǒng)行業(yè)
水電解制氫技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)
用已有近百年的歷史。在化工方面，
氫氣可以用于脂肪和油類(lèi)的氫化作
用，氨的合成，在尼龍、塑料、農(nóng)
藥的生產(chǎn)中也都離不開(kāi)氫氣；在冶
金方面，氫氣可以用作特種的處理，
作為一種保護(hù)氣，可以提高產(chǎn)品質(zhì)
量，簡(jiǎn)化工序；在電子工業(yè)方面，
主要用于半導(dǎo)體的加工；在浮法玻
璃生產(chǎn)、人造寶石的加工中也都把
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氫氣作為一種燃燒氣體；在電廠，
氫氣被用做發(fā)電機(jī)組的冷卻劑；液
氫是火箭和宇航的重要燃料；在科
研和氣象方面也廣泛的應(yīng)用氫氣。
2．新能源領(lǐng)域
氫氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用將得
到快速的發(fā)展。我國(guó)已在北京、
上海等地先后建立起了汽車(chē)加氫
站。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，到上海世
博會(huì)期間氫能汽車(chē)將達(dá)到千輛。
2003年3月， 挪威公司采用
718所研制的水電解制氫設(shè)備在
冰島首都雷克雅來(lái)克建立起世界
第一座加氫站，首次實(shí)現(xiàn)了為轎
車(chē)和公共汽車(chē)加氫燃料。該加氫
站于2004年4月正式開(kāi)始運(yùn)行。
2003年5月和2004年11月， 挪威
公司采用相同方式分別在德國(guó)漢
堡和柏林建立加氫站。
3．新能源轉(zhuǎn)化利用
氫氣的應(yīng)用不僅限于上述幾
個(gè)方面。由于能源危機(jī)，氫氣作
為一種新型能源受到人們的普遍
重視。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，盡管可
以從煤、天然氣和石油等原料中
制取廉價(jià)的氫氣，但這些原料正
在逐年的減少以至枯竭，不得不
尋找新的能源。通過(guò)水電解制取
的氫是理想的“干凈”的新能源。
節(jié)能減排， 限制溫室效應(yīng)，
保護(hù)地球，保護(hù)我們的家園，已
成為全世界人們的共識(shí)。
水電解制氫技術(shù)在水電站、
風(fēng)力發(fā)電和核電站也具有廣闊的
應(yīng)用前景。
挪威在其西部海岸于特西拉
島（utsira）建造了世界上第一座
風(fēng)能-氫能發(fā)電站。利用島上豐富
的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，再利用剩余電
力生產(chǎn)氫氣，在低谷時(shí)再利用氫
進(jìn)行發(fā)電。滿足了島上居民日常
生活用電要求，剩余部分還可以
上市。發(fā)電站也采用了718所研制
的水電解制氫設(shè)備。
四、氫能利用發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)
“氫能經(jīng)濟(jì)” 時(shí)代即將到來(lái)。
世界各國(guó)都在加快涉足氫能開(kāi)發(fā)
和利用。國(guó)外氫能的發(fā)展不再單
純停留在技術(shù)領(lǐng)域上，已產(chǎn)生了
“氫能經(jīng)濟(jì)”新經(jīng)濟(jì)模式的理念。
按照美國(guó)氫能技術(shù)路線圖， 到
2040年美國(guó)將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”
時(shí)代。在這一階段氫能將最終取
代石化能源成為市場(chǎng)上最廣泛使
用的終端能源。中國(guó)的中長(zhǎng)期科
學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略也把氫能
列為重點(diǎn)之一，有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和
企業(yè)表現(xiàn)出了極大的熱情。目前
我國(guó)已在制氫技術(shù)、儲(chǔ)氫材料和
氫能利用等方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的
工作，擁有一批氫能領(lǐng)域的知識(shí)
產(chǎn)權(quán)，其中有些研究工作已達(dá)到
國(guó)際先進(jìn)水平。
我國(guó)地域遼闊，能源轉(zhuǎn)換離
不開(kāi)氫能。我國(guó)有豐富的太陽(yáng)能、
風(fēng)能資源，通過(guò)電解水轉(zhuǎn)換成氫
氣進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存、運(yùn)輸，
有效的解決峰谷、傳輸和電網(wǎng)波
動(dòng)問(wèn)題，可能是最佳途徑之一。
我國(guó)南部和西南地區(qū)勢(shì)能差大，
水資源豐富，水電發(fā)達(dá)，在豐水
期可用大量剩余電力通過(guò)電解水
制取氫。
核能、生物質(zhì)能等新能源的
發(fā)展目前看也離不開(kāi)水電解制氫
技術(shù)。
所有嘗試目前都已取得了一
定的進(jìn)展。
五、結(jié)束語(yǔ)
能源短缺，尋找新型能源是
全人類(lèi)的共識(shí)。氫能源將成為21
世紀(jì)新型能源的一顆新星。水電
解制氫技術(shù)也面臨著新的機(jī)遇和
挑戰(zhàn)，提高水電解制氫效率，降
低制氫成本，發(fā)展高效水電解制
氫技術(shù)是我所的當(dāng)務(wù)之急。我所
愿意與全國(guó)的同行共同開(kāi)發(fā)高效
水電解制氫技術(shù)，為我國(guó)水電解
制氫技術(shù)的發(fā)展攜手前進(jìn)。
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