光伏储能电解水制氢：原理、技术路线与控制结构详解
光伏储能电解水制氢：原理、技术路线与控制结构详解
随着全球对可再生能源和绿色制氢技术的关注度不断提高，光伏储能电解水制氢作为一种清洁、高效的制氢方式，正受到越来越多的关注。本文将详细介绍光伏储能电解水制氢的原理、技术路线及其在实际应用中的控制结构。
绿氢制取技术概述
绿氢制取技术主要包括利用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水制氢、太阳能光解水制氢及生物质制氢。其中，可再生能源结合储能系统电解水制氢是应用最广、技术最成熟的方式。此外，还有热化学水解、生物质重整、微生物电解槽等制氢技术。
电解水制氢原理
电解水制氢是通过电能将水分解为氢气与氧气的过程。该技术可以采用可再生能源电力，不会产生CO2和其他有毒有害物质的排放，从而获得真正意义上的“绿氢”。电解水制氢具有原料为水、过程无污染、理论转化效率高、获得的氢气纯度高等优点，但该制氢方式需要消耗大量的电能，其中电价占总氢气成本的60%~80%。
绿氢制备的技术路线
绿氢制备的技术路线主要包括碱性水电解技术(ALK)、阳离子/质子交换膜水电解技术(PEM)、固体氧化物水电解技术(SOEC)、阴离子交换膜电解水技术(AEM)等，各有其特点。
碱性水电解技术(ALK)
碱性水电解技术是指在碱性电解质环境下进行电解水制氢的过程，电解质一般为30%质量浓度的KOH溶液或者26%质量浓度的NaOH溶液。该技术可以采用非贵金属催化剂，且电解槽具有15年左右的长使用寿命，因此具有成本上的优势和竞争力。碱性电解水制氢技术已有数十年的应用经验，在20世纪中期就实现了工业化，商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。但是，该技术使用的电解质是强碱，具有腐蚀性且石棉隔膜不环保，具有一定的危害性。碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和辅助系统(BOP)。碱性电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成，电解槽包括数十甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。
阳离子/质子交换膜水电解技术(PEM)
该技术是指使用质子（阳离子）交换膜作为固体电解质替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质(30%的氢氧化钾溶液或26%氢氧化钠溶液)，并使用纯水作为电解水制氢原料的制氢过程。和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，并且，PEM电解水制氢技术工作效率更高，易于与可再生能源消纳相结合，是目前电解水制氢的理想方案。但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备需要使用含贵金属(铂、铱) 的电催化剂和特殊膜材料，导致成本过高，使用寿命也不如碱性电解水制氢技术。目前，我国的PEM电解槽发展和国外水平仍然存在一定差距，国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模大约在260标方/小时，而国外生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模可以达到500标方/小时。PEM电解水制氢系统由PEM电解槽和辅助系统(BOP)组成。PEM电解槽由质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板等零部件组装而成。电解槽的最基本组成单位是电解池，一个 PEM电解槽包含数十至上百个电解池。
光伏储能制氢系统原理
光伏储能制氢系统的基本原理是先使用太阳能光伏发电，然后将水电解得到氢气和氧气。其核心思想是当太阳能充足但无法上网、需要弃光时，利用光电将水电解制成氢气（和氧气），将氢气储存起来； 当需要电能时，将储存的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。