PEM型電解水制氫設(shè)備在電廠的應(yīng)用

孫邦興,楊 華,駢 松

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

作為火電廠重要組成部分的發(fā)電機(jī)組，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)殡娏Φ膿p失導(dǎo)致產(chǎn)生大量的熱量，需采用冷卻劑對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行冷卻。氫氣比重小、擴(kuò)散快，具有高導(dǎo)熱性(為空氣導(dǎo)熱系數(shù)的8.4倍)，并且易于輸送，因而經(jīng)常作為機(jī)組的冷卻介質(zhì)[1]。為保證冷卻發(fā)電機(jī)組內(nèi)氫氣的充足，一般需要在電廠內(nèi)設(shè)置供氫站。根據(jù)布置方案的不同，電廠內(nèi)氫站有以下三種情形[2]:一是電廠內(nèi)安裝電解水制氫裝置，在需要時(shí)自行制備氫氣用以供應(yīng)；二是電廠購(gòu)買(mǎi)瓶裝的壓縮氫氣，在需要時(shí)用以供應(yīng)；三是電廠接通供氫管道，直接滿(mǎn)足廠內(nèi)氫氣的需求。在上述三種方案中，后兩種需要外購(gòu)氫氣，而電廠內(nèi)的電能比較富余，安裝制氫設(shè)備有利于節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，因此許多大型火電廠都是安裝制氫設(shè)備，通過(guò)電解水制得氫氣并貯存于專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)氫罐中，用以在發(fā)電機(jī)組需要冷卻介質(zhì)時(shí)提供氫氣。

根據(jù)電解質(zhì)種類(lèi)的不同，水電解制氫技術(shù)可以分為堿性水電解制氫技術(shù)、固體氧化物水電解制氫技和質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)水電解制氫技術(shù)和三種[3]。采用堿性液作為電解質(zhì)的堿性水電解制氫技術(shù)是最早發(fā)展起來(lái)的電解水制氫技術(shù)，也是到目前為止技術(shù)最為成熟、成本最為低廉的電解水制氫技術(shù)，也正因?yàn)槿绱耍姀S內(nèi)制氫站的制氫設(shè)備最常用的技術(shù)是堿性水電解制氫技術(shù)。但堿性電解制氫技術(shù)有電解質(zhì)電導(dǎo)率低、電解槽效率低和工作電流低的缺點(diǎn)[4]，為改善這種狀況，以高分子聚合物作為電解質(zhì)的PEM電解水制氫技術(shù)得以發(fā)展，且其有工作電流密度高(最高可達(dá)10000～30000A/m2)和體積小的優(yōu)點(diǎn)，目前被認(rèn)為是發(fā)展前景最廣闊的電解水制氫技術(shù)[5]。本文將從PEM電解水制氫技術(shù)的原理及其經(jīng)濟(jì)性等方面評(píng)估該技術(shù)在大型發(fā)電廠制氫站中推廣使用的可行性。

1 PEM純水電解制氫技術(shù)的原理

圖1 PEM水電解原理圖Fig.1 Schematic diagram of water electrolysis for PEM

PEM型電解水制氫技術(shù)的原理如圖1所示。電解槽小室由膜電極、質(zhì)子交換膜等組成。膜電極及其噴涂在其表面的催化劑作為PEM型電解槽的核心部件，很大程度上決定了電解槽及整個(gè)制氫設(shè)備的性能。堿性電解水制氫設(shè)備的電解槽小室所用的中間隔膜通常為無(wú)機(jī)的石棉隔膜或者非石棉隔膜，對(duì)于氫氣和氧氣的隔絕效果較差，會(huì)導(dǎo)致最終的產(chǎn)品氫氣的純度較差，而PEM型電解水制氫設(shè)備的電解槽采用的高分子聚合物質(zhì)子交換膜只能通過(guò)氫離子，會(huì)使產(chǎn)品氫氣的純度較高。當(dāng)PEM型電解水制氫設(shè)備運(yùn)行時(shí)，電解質(zhì)純水在電解小室的陽(yáng)極經(jīng)催化反應(yīng)被分解為氧氣、電子和氫離子。氫離子以水合氫離子的形式通過(guò)質(zhì)子交換膜，并在電解小室的陰極處得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣[6]。

2 PEM型電解水技術(shù)在電廠的應(yīng)用分析

當(dāng)火電廠的發(fā)電機(jī)組采用氫氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)，對(duì)于提供的氫氣的純度、濕度和壓力等參數(shù)有嚴(yán)格的要求。當(dāng)供氫的壓力高于規(guī)定值時(shí)，會(huì)造成機(jī)組內(nèi)氫氣的泄露，使得冷卻效果下降；而當(dāng)氫氣的壓力低于規(guī)定值時(shí)，將難以保證冷卻發(fā)電機(jī)組的氫氣量，也會(huì)使得冷卻效果下降。當(dāng)氫氣純度低于規(guī)定值時(shí)，一方面會(huì)使氫氣的冷卻效果因氫氣下降而變差，直接影響到發(fā)電機(jī)的效率[7]，另一方面，發(fā)電機(jī)組的絕緣性也會(huì)因氫氣純度的下降而下降，對(duì)于發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行將產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[8]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：如果發(fā)電機(jī)組內(nèi)的氫氣純度下降1%，將會(huì)造成發(fā)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子損耗和通風(fēng)損耗增加11%[9]。表1為某超超臨界發(fā)電機(jī)組對(duì)冷卻介質(zhì)氫氣的相關(guān)參數(shù)的規(guī)定值。

2.1 制氫設(shè)備的制氫量及選擇

火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程要求，發(fā)電廠自建的電解水制氫設(shè)備的總的容量能力應(yīng)能保證氫冷機(jī)組的正常氫氣消耗量以及在7天之內(nèi)為1臺(tái)最大功率的發(fā)電機(jī)組制取一次啟動(dòng)充氫量之和。根據(jù)上述表1所示的該氫冷發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，其所需配備的電解水制氫設(shè)備的能力應(yīng)為10Nm3/h。單臺(tái)堿性電解水制氫設(shè)備和PEM型電解水制氫設(shè)備的制氫能力就能滿(mǎn)足上述要求。

表1 某超超臨界機(jī)組啟動(dòng)所需氫氣參數(shù)Table 1 hydrogen parameters required for the start-up of an ultra-supercritical plant

2.2 2 種電解水制氫的技術(shù)比較

堿性電解水制氫系統(tǒng)主要由電解槽、堿液分離器、洗滌器、冷卻器、堿液過(guò)濾器、堿液循環(huán)泵、自動(dòng)補(bǔ)水裝置、堿液制備及貯存裝置、氫氣純化裝置以及在線式的氫氣純度檢測(cè)裝置等模塊組成，工藝流程相對(duì)較為復(fù)雜。PEM型電解水制氫設(shè)備只需要純水作為電解槽中電解質(zhì)，同時(shí)其質(zhì)子交換膜對(duì)氫氣和氧氣的阻隔作用良好而使系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化[10]。PEM型電解水制氫與堿性電解水制氫技術(shù)參數(shù)比較如表2所示。

表2 堿性和PEM型電解水制氫技術(shù)比較Table 2 comparison between alkaline electrolysis and PEM electrolysis for hydrogen production

從表2可以看出，與堿性電解水制氫技術(shù)相比，PEM型電解水制氫技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)質(zhì)子交換膜只允許水合氫離子單向通過(guò)，能夠?qū)Ψ磻?yīng)產(chǎn)物氧氣和氫氣起到良好的隔絕作用，因而其產(chǎn)生的氣體純度較高，安全性較好。而堿性電解水制氫設(shè)備的電解槽多采用無(wú)機(jī)的石棉材料或者非石棉材料作為小室的中間隔膜，對(duì)氣體的隔絕效果較差。

(2)PEM型電解水制氫設(shè)備的電解槽小室的電極間距較小，采用直噴法技術(shù)的電解槽的極間距可以做到200μm以下，使得電解槽的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)能夠極大的降低小室的工作電壓，因而制取單位體積氫氣的能耗也將降低。

(3)PEM型電解水制氫設(shè)備采用純水作為電解質(zhì)，相比堿性設(shè)備采用氫氧化鉀或者氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)，能有效降低電解質(zhì)對(duì)于制氫設(shè)備電解槽和管道的腐蝕，對(duì)環(huán)境也更友好。

(4)維持額定的氫氣壓力，對(duì)于保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電系統(tǒng)的安全性有著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)在普遍采用的間隔補(bǔ)充氫氣方式會(huì)造成氫氣壓力的波動(dòng)不穩(wěn)，從而造成導(dǎo)熱的不穩(wěn)定以及氫密封壓力的波動(dòng)。而PEM型電解水制氫設(shè)備的可以從0到100%之間任意智能連續(xù)調(diào)節(jié)氫氣的制取量，且響應(yīng)時(shí)間短，可以與發(fā)電機(jī)直連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)氫，如圖2所示。采用直聯(lián)補(bǔ)充氫氣的方式能使得氫氣的壓力和純度穩(wěn)定在機(jī)組的設(shè)計(jì)要求。

圖2 PEM電解水制氫設(shè)備與發(fā)電機(jī)直連示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct connection between PEM electrolytic water hydrogen production equipment

正式基于上述顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得PEM型電解水制氫技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用也原來(lái)越廣泛。

2.3 PEM型水電解制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

發(fā)電機(jī)組的冷卻效率、風(fēng)擦損耗、發(fā)電效率乃至發(fā)電機(jī)組的壽命在很大程度上受氫氣純度的直接影響。氫氣的純度的提高在使機(jī)組的冷卻效率提高的同時(shí)，也會(huì)大大降低因發(fā)電機(jī)組高速旋轉(zhuǎn)而造成的風(fēng)擦損耗。國(guó)外某大型發(fā)電機(jī)組設(shè)備制造廠商的試驗(yàn)研究表明，單臺(tái)發(fā)電能力為1000MW的發(fā)電機(jī)組，如果發(fā)電機(jī)組內(nèi)的氫氣在額定壓力時(shí)，將氫氣純度從95%提高到98%后，將降低685kW的風(fēng)擦損耗，即氫氣的純度每提高1%便可以節(jié)約228kW的能源浪費(fèi)。對(duì)于上述表1某2×660MW超超臨界的發(fā)電機(jī)組，氫氣純度每提高1%，單臺(tái)機(jī)組便能減少166kW的風(fēng)擦損耗。按照每年8000小時(shí)的發(fā)電時(shí)間計(jì)算，共節(jié)能166kW×8000h=1328000kW·h，按照電價(jià)0.25元/( kW·h)計(jì)算，每年每臺(tái)機(jī)組可節(jié)省33.2萬(wàn)元，2臺(tái)機(jī)組每年便可節(jié)能66.4萬(wàn)元。

正因?yàn)镻EM水電解制氫所具有的這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使這種先進(jìn)的制氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的電廠都得到了廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

PEM電解水制氫技術(shù)是一種安全、清潔、高效的制氫技術(shù)，相比傳統(tǒng)的堿性電解水制氫設(shè)備，有著不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然目前PEM電解水的制氫成本較堿性電解水制氫設(shè)備的成本較高，但通過(guò)上述的經(jīng)濟(jì)分析可以看出，其設(shè)備本身的成本劣勢(shì)可以通過(guò)運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行彌補(bǔ)。