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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 趙宇 楊奇中國船舶重工集團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，
水電解制氫技術(shù)得到了飛速的發(fā)
展。但在上個世紀(jì)50年代初期，
人們開始從碳?xì)浠衔镏兄迫〈?br /> 量廉價的氫氣，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，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)域越來越廣，對氫
氣的需求量也在逐年的增加。據(jù)
美國氫氣協(xié)會分析，2007年全球
年生產(chǎn)氫氣超過5000萬噸，氫能
作為低碳和零碳能源正在脫穎而
出。因此專家普遍認(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)的開發(fā)與研制受
到各國政府的越來越高的重視與
支持。近年來，我國和美國、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
已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進
展，在不久的將來有望成為氫能
技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國家之一。
二、 工業(yè)水電解制氫技術(shù)的發(fā)
展概況
1．國外水電解制氫技術(shù)的發(fā)展
世界上有數(shù)十家公司和科研
單位在研究和開發(fā)水電解制氫技
術(shù)，并取得了很大進展。
如：加拿大的多倫多電解槽
有限公司、美國的德利戴恩和通
用電氣公司、德國的魯奇公司、
意大利米蘭的De Nera公司、挪
威的海德魯公司和日本的陽光制
造所，以及英、法等國家都在研
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3350m3/h制氫設(shè)
備。美國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
性的是美國的德利戴恩公司和德
國的魯奇公司。
美國的德利戴恩（Teledyne）公司
該公司直到1967年才開始研
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，生產(chǎn)
小型、中型和大型三種型號的水
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)有聲光報警系統(tǒng)。氫氣純
度達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
機構(gòu)/制造商現(xiàn)狀/技術(shù)性能進一步研制
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
為設(shè)計35MW的裝置
進行長期性能試驗
Asahi Glass
(日本)
? 全氟羥化隔膜
? 活化的陰極/改進的拉尼鎳陽極
? 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)進行壽命試驗
Inorganic Membrance
Technology
( 比利時)
? 多銻酸為基礎(chǔ)的無極隔膜雙極性電
解槽
? NiS陰極，NiCo尖晶石作為陽極催
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
1MW模型樣機的研
制
Teledyne Energy
System
(美國)
? HGS電解槽樣機，
? 直流電耗5.3Kwh/m3H2
? 應(yīng)用于各種容量發(fā)電機組的冷卻
改進結(jié)構(gòu)，長期實驗
系統(tǒng)的可靠性
監(jiān)測各種運行參數(shù)，采用強制循
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
99.998%（帶干燥裝置），直流電
耗為6.4Kwh/m3H2 ；
德國魯奇（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)可隨著氫儲罐壓
力的升高自動的調(diào)節(jié)直流電流的
大小來調(diào)節(jié)產(chǎn)氫量。
2、我國水電解制氫技術(shù)的發(fā)展
我國水電解制氫技術(shù)的發(fā)展，
經(jīng)歷了從小到大、從常壓到加壓、
從手動控制到PLC全自動控制的
發(fā)展歷程。1985年以前，我國工
業(yè)水電解制氫裝置以常壓設(shè)備為
主。1985年以后，我國水電解制
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?，F(xiàn)在國內(nèi)幾家主要從事制
氫裝置生產(chǎn)的公司，均是通過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。
上個世紀(jì)60年代，718所為國
防軍工建設(shè)開始水電解制氫技術(shù)
的研究。
1979年，開始承擔(dān)民品任務(wù)，
開發(fā)成功了國家氣象局2m3/h氣象
制氫裝置。目前，全國的所有氣
象臺站，基本都配置了718所的氣
象制氫裝置；
1985年，在原來軍品的基礎(chǔ)
上開發(fā)研制出我國首臺采用可編
程控制的加壓水電解制氫裝置，
填補了國內(nèi)空白；
1994年，成功地開發(fā)出微機
全自動控制的80m3/h制氫裝置，
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性能達到了世界先進水平；
1997年，通過與挪威海德魯
公司的技術(shù)合作，研制成功了無
石棉隔膜電解槽，得到了國際市
場的通行證。上個世紀(jì)90年代，
已大量出口到歐洲市場。
新世紀(jì)的到來，718所面臨新
的機遇和挑戰(zhàn)。除加強新產(chǎn)品的
開發(fā)力度外，同時利用國家的保
障條件建設(shè)，增添了許多大型實
驗設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)備，為軍品科研
和民品開發(fā)增添了新的活力。
2000年，開發(fā)研制成功當(dāng)時
國內(nèi)產(chǎn)氣量最大的250m3/h的制
氫裝置，出口伊朗；
2001年，研制開發(fā)成功電廠
專用無人值守的一體化制氫裝置。
目前， 全國所有的火電廠60%-
70%都配備了該型裝置；
2002年，研制開發(fā)成功我國
首臺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)，形成獨立的氫站；
2003年，研制開發(fā)成功產(chǎn)氣
量為350m3/h的制氫裝置， 再創(chuàng)
中國之最。目前已成為多晶硅生
產(chǎn)廠家的首選機型，擁有全國一
半以上的市場份額；
2004年，研制開發(fā)成功1.5m3/
h車載式水電解制氫設(shè)備，機動性
強，在神舟系列發(fā)射、512汶川大
地震、奧保、國慶60年安保等活
動的氣象保障工作中發(fā)揮了重要
的作用；
2008年，研制開發(fā)成功產(chǎn)氣
量為600m3/h 的制氫裝置，使用
了自主知識產(chǎn)權(quán)的無石棉隔膜，
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、日等幾個國
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。
作為國內(nèi)唯一從事水電解制氫技
術(shù)研究的專業(yè)科研院所，718所從
上個世紀(jì)80年代初，就一直跟蹤
國外的發(fā)展概況，經(jīng)過多年的調(diào)
研和技術(shù)論證，于上個世紀(jì)末立
題，開展SPE技術(shù)的研究。經(jīng)過
十幾年的研發(fā)，目前已取得了突
破性的進展，實現(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90 ℃時，
石棉隔膜的腐蝕率也上升，同時
還會產(chǎn)生機械變形，降低機械強
度，造成氣體純度下降，裝置壽
命縮短，嚴(yán)重的還會造成重大安
全隱患。石棉是致癌物，許多發(fā)
達國家已頒布法令禁止使用。石
棉原料礦儲量有限，近年來，優(yōu)
質(zhì)原料已越來越少，總產(chǎn)量已不
能滿足國內(nèi)各生產(chǎn)單位的需求。
有些單位無奈之下，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)過幾
年的努力，取得了階段性的進展。
2007年研制出具有自己獨立知識
產(chǎn)權(quán)的無石棉隔膜，應(yīng)用到產(chǎn)氫
量從0.5立方每小時到600立方每
小時的各種型號的裝置上，數(shù)量
近百臺，經(jīng)過兩年來的運行，各
項性能穩(wěn)定，單位氣體能耗比石
棉電解槽降低5%以上，取得了良
好的社會和經(jīng)濟效益，徹底打破
了國外的壟斷。
開發(fā)研制新型電極催化材料，
提高電流密度，提高電解槽效率，
配合無石棉隔膜的應(yīng)用，通過提
高操作溫度來改進電解槽的效率，
降低制氫成本，是發(fā)展高效先進
電解槽的必由之路。
四十多年來，718所在該領(lǐng)
域已取得數(shù)十項國家專利，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，為國家的經(jīng)濟建設(shè)做出
了貢獻。
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)中也都離不開氫氣；在冶
金方面，氫氣可以用作特種的處理，
作為一種保護氣，可以提高產(chǎn)品質(zhì)
量，簡化工序；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。我國已在北京、
上海等地先后建立起了汽車加氫
站。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，到上海世
博會期間氫能汽車將達到千輛。
2003年3月， 挪威公司采用
718所研制的水電解制氫設(shè)備在
冰島首都雷克雅來克建立起世界
第一座加氫站，首次實現(xiàn)了為轎
車和公共汽車加氫燃料。該加氫
站于2004年4月正式開始運行。
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
個方面。由于能源危機，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)識到，盡管可
以從煤、天然氣和石油等原料中
制取廉價的氫氣，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)，
保護地球，保護我們的家園，已
成為全世界人們的共識。
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)能進行發(fā)電，再利用剩余電
力生產(chǎn)氫氣，在低谷時再利用氫
進行發(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)展趨勢預(yù)測
“氫能經(jīng)濟” 時代即將到來。
世界各國都在加快涉足氫能開發(fā)
和利用。國外氫能的發(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”新經(jīng)濟模式的理念。
按照美國氫能技術(shù)路線圖， 到
2040年美國將走進“氫能經(jīng)濟”
時代。在這一階段氫能將最終取
代石化能源成為市場上最廣泛使
用的終端能源。中國的中長期科
學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略也把氫能
列為重點之一，有關(guān)科研機構(gòu)和
企業(yè)表現(xiàn)出了極大的熱情。目前
我國已在制氫技術(shù)、儲氫材料和
氫能利用等方面進行了開創(chuàng)性的
工作，擁有一批氫能領(lǐng)域的知識
產(chǎn)權(quán)，其中有些研究工作已達到
國際先進水平。
我國地域遼闊，能源轉(zhuǎn)換離
不開氫能。我國有豐富的太陽能、
風(fēng)能資源，通過電解水轉(zhuǎn)換成氫
氣進行能量的轉(zhuǎn)化和儲存、運輸，
有效的解決峰谷、傳輸和電網(wǎng)波
動問題，可能是最佳途徑之一。
我國南部和西南地區(qū)勢能差大，
水資源豐富，水電發(fā)達，在豐水
期可用大量剩余電力通過電解水
制取氫。
核能、生物質(zhì)能等新能源的
發(fā)展目前看也離不開水電解制氫
技術(shù)。
所有嘗試目前都已取得了一
定的進展。
五、結(jié)束語
能源短缺，尋找新型能源是
全人類的共識。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
愿意與全國的同行共同開發(fā)高效
水電解制氫技術(shù)，為我國水電解
制氫技術(shù)的發(fā)展攜手前進。
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