一、電解水制氫方式簡述
1.AWE:堿性水電解水制氫
AWE電解水制氫原理示意圖
2.AEM:陰離子交換膜電解水制氫
AEM電解水制氫原理示意圖
3.PEM:質子交換膜電解
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AEM電解水制氫原理示意圖
4.SOE:高溫固體氧化物電解水制氫
SOE電解水制氫原理示意圖
二、整套設備構造以及基本參數
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電解水制氫設備構造示意圖
1.AWE:堿性水電解水制氫
隔膜:石棉膜
電解液:通常為20%~30%的KOH溶液
陰極、陽極:金屬合金,如Ni、Mo、Mn合金等。
工作電流密度:0.25~0.5A/cm2,未來會達到0.8A/cm2。(不過據我拿到的資料顯示現狀國內設備供應商已經有做到0.9A/cm2)
工作溫度:90度以下
產生氣體壓力:
目前單體最大:1250Nm3 /h。
缺點:難易快速啟動和變載
優點:設備生產制造工藝成熟
2.PEM:質子交換膜電解
隔膜:質子交換膜
膜電極:由陰陽極氣體擴散層、催化層、質子交換膜層構成(類似于燃料電池膜電極結構)
催化劑:碳基貴金屬材料
工作溫度:85度以下
工作電流密度:1~4A/cm2,未來的指標會更高。
優點:能快速啟動和變載,對電力輸入的適應性強。
3.AEM:陰離子交換膜電解水制氫
目前處于研發階段,數據暫不討論
4.SOE:高溫固體氧化物電解水制氫
目前處于開發階段,數據不完善,咱不討論。
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5.四種電解水制氫方式匯總對比,如下圖
各電解水在制氫參數大概參考
三、電解水耗水量
水的消耗來自兩個步驟:氫氣生產和上游能量載體的生產。
1.就氫生產而言,電解水的最小消耗大約是每千克氫消耗9千克水。然而,考慮到水的脫礦過程,這一比例可以在每千克氫18到24千克水之間,甚至高達25.7到30.2。
2.光伏發電的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之間變化。
3.風力發電的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之間。
結論:光伏發電和風能產生氫氣的總耗水量平均分別為32和22 kgH2O/kgH2左右。
說明:不確定性來自太陽輻射、壽命和硅含量等。
四、電解水制氫、氫氣在發電的能量轉移邏輯
1.電解水制氫能量效率
考慮水的純化脫鹽等過程,目前的所有電解水制氫工藝制取一公斤氫氣總耗電量在50~55KWh(度),1度電對應3600KJ,50~55KWh換算成能量單位也即180000KJ~198000KJ。
1公斤氫氣熱值(所含能量值):143000KJ
這個過程能量轉化效率計算為:
能量轉移效率:143000/(180000~198000)=72%~79%
2.氫氣發電或者熱電聯供效率。
目前氫燃料電池發電效率在40~60%,其余部分主要表現為熱能。考量熱電聯供效率整體可以到90%左右。
3.電—氫—電的總效率
1)非熱電聯供:32%~48%。
2)熱電聯供:65%~72%。
原文始發于微信公眾號(氫眼所見):電解水制氫、氫氣發電的能量轉移邏輯