大型碱性电解水制氢装备多对一的应用与实践

杨成玉，马 军，李广玉，赵晓亮，顾永鑫

(1. 考克利尔竞立(苏州)氢能科技有限公司，苏州 215100；2. 苏州竞立制氢设备有限公司，苏州 215168；3. 苏州大学应用技术学院，苏州 215101)

0 引言

氢能是极为重要的清洁能源，在可再生能源分布式电站及氢气冶金等众多领域内广泛应用。考虑到自然界内很少存在单质氢气的情况，因此，必须借助工业过程实现氢能的制备，制氢技术是氢能得以发展与应用的基础。当前，氢气主要由电解水制氢、工业副产氢等途径获得，而每个制氢途径的成本投入、原材料的再生性及二氧化碳排放量等都有所差别。其中，全球95%以上的氢气产量来自化石燃料重整制氢方式[1]，该方式产氢过程中会排放二氧化碳；另外，近4%～5%的氢气产量来自电解水制氢方式，该方式产氢全程都不存在二氧化碳排放的问题。基于碳排放强度的差异，制氢方式可以分为3 个类型，分别为：灰氢(如煤制氢)、蓝氢(如天然气制氢)、绿氢(如电解水制氢、可再生能源制氢)。考虑到氢能产业发展的最初目标就是实现节能减排的效果，因此，未来的绿色能源发展中，氢能产业必将朝着电解水制氢这一绿氢方向寻求进一步的发展与突破，电解水制氢方式将拥有充足的成长与进步空间[2]。

近些年，电解水制氢技术蓬勃发展，不少国家都开始将其确立为除交通领域外的电力等诸多行业的未来目标，而且该技术在政府规划及应用示范等领域内都有突出表现，是极为重要的战略资源技术。

在众多研究电解水制氢的技术文献中，由于碱性电解水(AWE)制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢这2 种电解水制氢方式比较容易实现，因此经常会被比较。但由于碱性电解水制氢比质子交换膜制氢更适用于大规模制氢，并且利用可再生能源制氢是各大用氢企业降低成本的共识，因此针对碱性电解水制氢方式的研究和应用均较多。

随着氢能的进一步发展，制氢厂家的电解水制氢装备的大型化被逐渐提上议事日程，单台电解水制氢装备的最大产能、碱性电解水制氢装备的大型化、集约化成为研究人员关注的焦点，碱性电解水制氢装备在大型化的同时做到多对一形式的集成化、模块化已是势在必行[3]。综上，本文对制备绿氢的碱性电解水制氢技术进行了介绍与分析，深入探究了绿色制氢与大规模制氢的系统化解决方案，对碱性电解水制氢多对一方案的设备布置进行了详细分析，并介绍了相关实际应用和实践案例，以期能够为中国氢能技术的进一步升级换代提供参考。

1 研发背景

图1 为光伏发电-风电项目实景图，在光伏发电与风电等可再生能源发电期间，会表现出明显的波动性及随机性等特点，严重影响到电网运行的安全性与稳定性，但氢能发电不会出现这些问题[4]。大规模可再生能源发电耦合电解水制氢技术既能够显著提高可再生能源发电系统的能源利用效率，还可以更好地应对绿氢产业“氢从哪里来”的问题，是很多国家重要的能源战略，与此相关的研究具有突出的战略价值。

图1 光伏发电-风电项目实景图Fig. 1 Photo of PV-wind power project

碱性电解水制氢技术凭借高性价比、设计紧凑及操作便捷等优势，得以在各行各业内大范围推广与运用，是当前绿氢制备的主要途径，在实际生产实践中起到重要的影响作用。

电解槽是电解水制氢技术必不可少的设备，在利用电解水制氢技术对可再生能源发电波动进行平抑处理期间，其必须能够更好地适应不稳定功率输出的冲击影响。伴随电解水制氢技术的持续发展与成熟，碱性电解槽凭借自身成本投入少及技术实现更加纯熟等优势，备受青睐与认可，成为实际应用最广泛的电解水制氢技术。

电解水制氢技术具备以下特性：

1)启停特性。电解水制氢过程中，打开电解槽时，电解槽温度不会超过70 ℃，无法达到完美产氢的温度要求。在这个过程中，电解槽需要消耗功率来产热，以达到提高温度的目的。在电解槽功率大幅度提高到能够产氢的情况下，其功率值即为保温功率。电解槽在最开始工作时会耗费一定的时间来达到保温功率，而其在停机的情况下，又能够在很短的时间内降低功率值，因此，其被视作可中断负荷[5]。

2)保温特性。在电解槽内全部电解小室都不工作的情况下，保温联锁控制设备将会打开，以确保整体电解槽系统在相当一段时间内不会出现大幅的温度变化。保温特性能够确保电解槽在短暂停机后也能够立即开始生产[6]。

3)调节特性。该特性使电解槽在由高功率、高温度调整到低功率、低温度的情况下，能够完成毫秒级时间的调节控制；反之，电解槽在由低功率、低温度调整到高功率、高温度的情况下可以达到分钟级的时间响应，即“由高至低快，由低至高慢”[7]。

4)氢气安全运行功率。在电解槽维持低功率运行状态的情况下，受槽体材料性质的影响，其运行功率及氢、氧侧液位都需要超出某一限值，以避免出现因氢、氧互串而达到爆炸极限的问题[8]。从功率特性层面分析，氢气安全运行功率的限值通常为电解槽额定功率的20%～25%。

而且，考虑到电解槽本身是完成电气转换处理的设备，整个电气转换反应需要缓冲作用时间，因此，在实际应用期间，电解槽可在低于氢气安全运行功率限制下短时间运行，而基于电解槽容量的差异，这段时间的长短在分钟数方面有所不同[9]。

5)电气过载特性(调节范围)。在实际应用期间，电解槽功率值能够在很短的时间内超出其额定功率，如此就能够减少所需要的单体电解槽容量配备[10]。

现阶段，单体碱性电解槽的制造水平尚处于几百千瓦到兆瓦级(或几百标准立方/小时到1000 Nm3/h)，而大规模制氢工程应用中通常需要多台单体碱性电解槽并联，形成碱性电解槽矩阵，从而产生集聚效应，形成真正意义上的产氢能力的升级换代[11]。

研究学者们重点从制造及集中应用2 个方面展开了与此相关的深层次研究与分析。但碱性电解水制氢装备的优化与完善并非能一蹴而就，而是需要很长的时间去攻坚克难[12]。因此，在当前应用环境下，选择合理地控制方式能够对碱性电解水制氢工作的效率及功率调节等起到重要作用，与此相关的研究工作很有现实必要性[13]。

2 碱性电解水制氢技术的设备布置

碱性电解水制氢技术安全可靠、运行寿命长、经济性能好，在大规模制氢中是最具潜力，也是最成熟的技术之一.碱性电解水制氢多对一方案也越来越得到认可，尤其是在风电场及光伏电站等可再生能源发电厂内都配套了相应的氢能一体化项目[14]。而这些氢能一体化项目选择的碱性电解水制氢装备的设计出氢量通常为1000 Nm3/h，氢气子弹头贮存罐及其专用长管拖车能够为氢气用户及加氢站供应符合湿度及纯度等要求的氢气能源。

本文以某20 MW 风光耦合发电项目为研究对象，对其配套的氢能一体化多对一项目中的碱性电解水制氢系统的设计方案进行深入分析。

2.1 基础技术指标

该20 MW 风光耦合发电项目配套的氢能一体化多对一项目中的碱性电解水制氢系统的基础技术指标数据为：

1)碱性电解水制氢系统的规模：20 MW。

2)氢气供应出口压力：20 MPa。

3)氢气贮存量：12000 Nm3。

4)氢气纯度：≥99.999%。

5)氢气湿度：露点温度≤-70 ℃。

6)氢气中氧含量(体积浓度)：≤6 ppm。

2.2 工艺系统方案

基于碱性电解水制氢系统的基础技术指标数据的要求，其设备的具体配置情况为：

1)配备4 套出氢量为1000 Nm3/h 的碱性电解槽及附属设备，每套装备都包括氧排水器、碱性电解槽及碱液循环泵等设备。

2)配备8 套碱性电解水制氢辅助设备，每套辅助设备由补水泵及碱液箱等部分构成。其中，每2 套碱性电解槽配备1 套后处理系统及1 套氢气纯化系统。碱性电解槽、后处理系统及氢气纯化系统联用1 套辅助设备。

3)配备6 台产氢量为1000 Nm3/h、氢气供应出口压力为20 MPa 的氢气压缩机，其中1 台作为备用机，采用“5 用1 备”的方案；配备2台氢气缓冲罐充当辅助贮氢设备。

4)配备12 台储氢量为35 m3、出氢压力为20 MPa 的氢气子弹头贮存罐，并配备3 辆专用的子弹头贮存罐长管拖车，用来完成用户及加氢站的高压氢气运输工作。

5)考虑到风电或光伏发电的厂商都未配备专业的除盐水装置，因此需要在制氢站内配备相应的除盐水箱来进行除盐水的贮存，方便碱性电解水制氢装置后续能够更好地完成制氢工作[15]。

该碱性电解水制氢系统配备3 套4 t/h 的除盐水装置，其中1 台作为备用机，采用“2 用1 备”的方案；并配备1 台容量为100 m3的除盐水箱，以满足12 h 持续工作的碱性电解水制氢装置的需求。该除盐水装置用到的水来自市政自来水，借助全膜法进行相应的处理。

6)配备1 套气动阀门进行压缩空气的制备及贮存工作，由2 台空压机及2 台压缩空气贮存罐、1 套过滤净化装置构成。

7)配备3 套氮气瓶组，其中，每2 套碱性电解水制氢装置联用1 套氮气瓶组。

8)配备在线分析仪器，涵盖氢气露点仪及检漏仪等分析仪；同时，配备压力表及数字式流量计、金属转子流量计等分析仪表。

9)配备各设备满负荷时所必需的整流柜及变压器等电控装置。

2.3 设备布置

该氢能一体化多对一项目的制氢站的占地面积约132 m×115 m，站点周边设置高于2.5 m 的实体防爆工艺墙；墙内建设长管拖车充装站及碱性电解水制氢车间，二者间隔距离为40 m，满足设计需要的安全距离[16]。

碱性电解水制氢车间由电解间、辅助间、压缩间、氮气瓶间、空压机间、变压器间、整流柜间、控制间等几部分组成。在电解间内，配备了碱性电解槽及附属设备；在辅助间内，配备了碱性电解水制氢所需要的辅助设备；在压缩间内，配备了氢气压缩机及氢气缓冲罐；在氮气瓶间内，配备了氮气瓶组；在除盐水制备间内，配备了除盐水装置及除盐水箱；在空压机间内，配备了空压机及压缩空气贮存罐；在变压器间，配备了变压器；在整流柜间内，配备了整流柜；在控制间内，配备了DCS 控制柜及制氢控制柜[17]。

氢气子弹头贮存罐共3 组，一组内有5 罐；参照车位顺序，将3 辆子弹头贮存罐长管拖车停靠到充装站里面。该充装站为敞开式建筑形式，上方布置了顶棚。

3 碱性电解水制氢多对一方案的配套参数及相应布置

3.1 单台碱性电解槽的主要技术性能指标

通常情况下，产氢量为1000 Nm3/h 的单台碱性电解槽在正常工作条件(温度0 ℃，压力0.1010 MPa)下的主要技术性能指标的相关参数如表1 所示。

表1 单台碱性电解槽的主要技术性能指标Table 1 Main technical performance indexes of single alkaline electrolyzer

3.2 工作条件

电解水制氢技术的原料配制包括电解液、氢氧化钾、原料水、冷却水。其中，电解液为30%浓度的氢氧化钾水溶液；氢氧化钾为白色晶体，纯度为AR 级(分析纯以上)；冷却水的温度小于等于30 ℃，压力介于0.4～0.6 MPa 之间，水质为工业软水，硬度小于4 个德国度；原料水的水质要求如表2 所示。

表2 原料水的水质要求Table 2 Water quality requirements of raw material water

4 碱性电解水制氢多对一方案的成功案例介绍

4.1 宁夏宝丰能源项目碱性电解水制氢2 对1 方案

宁夏宝丰能源项目碱性电解水制氢2 对1 方案已成功实施。该项目采用2 台碱性电解槽共用1 台气液分离装置(如图2、图3 所示)及1 台纯化装置的方案，即“2 对1 方案”。在正常工作条件(温度0 ℃，压力0.1010 MPa)下，该项目中单台碱性电解槽的主要技术参数如表3 所示。

表3 单台碱性电解槽的主要技术参数Table 3 Main technical parameters of single alkaline electrolyzer

图2 碱性电解槽及气液分离装置的模型设计Fig. 2 Model design of alkaline electrolyzer and gas-liquid separation device

图3 不同角度的模型设计Fig. 3 Model design from different angles

项目遵照国家标准的强制能效标准执行；整流柜本体选用24 脉波形式，使用闭式脱盐水冷却系统冷却换热，每套整流柜均使用单独的冷却系统。

截至2021 年7 月3 日，针对该项目，考克利尔竞立(苏州)氢能科技有限公司(下文简称为“考克利尔竞立公司”)前后分5 批共交付22套型号为DQ-1000/1.6 的碱性电解水制氢装备。图4、图5 为项目现场碱性电解水制氢装备的实拍照片。

图4 项目现场碱性电解水制氢装备的实拍照片Fig. 4 Photo of alkaline water electrolytic hydrogen production equipment on the project site

图5 项目现场Fig. 5 Project on site

碱性电解水制氢装备采用“2 对1 方案”，将2 台碱性电解槽并联起来，共用1 台气液分离装置及1 台纯化装置。碱性电解水制氢装备安装后，顺利进行了运行调试，实现了整个碱性电解水制氢系统的自动化控制，无人值守。系统运行时，通过控制逻辑使系统的电流，电压，压力，氢、氧侧液位，氢氧碱液的温度及碱液流量处于稳态，再进一步关注氢气、氧气纯度。

2 台出氢量为1000 Nm3/h 的碱性电解槽可同时运行，也可按序运行，即当其中一台平稳运行(满负荷运行或非满负荷运行)时，另一台可以随时并进来。调试期间测试了同时升降电流，以及分别升降电流、突然调停1 台或同时调停2 台碱性电解槽，结果显示，2 台1000 Nm3/h 的碱性电解槽对应的气液分离装置框架的液位、系统压力及温度、气体纯度都相对平稳。

该项目的碱性电解水制氢装备的制氢系统设计、安装及调试工程圆满成功，工程技术人员由此也积累了丰富的工程经验。该项目实施过程中遇到了诸多技术难题，但均得到了解决，具体包括：1)气液分离器大型化后其表面处理工作不易进行，工程技术人员采取了分段做表面处理的方式；2)业主方厂房空间有限，但最终在3000 m2的有限空间内集成了10 台产氢量为1000 Nm3/h的碱性电解槽，极大地节省了空间；3)碱性电解水制氢装备的自动化集成程度一直是个难题，多对一方案完美解决了这一难题。

4.2 清华大学实验项目碱性电解水制氢4 对1 方案

清华大学实验项目碱性电解水制氢4 对1 方案已成功实施。该项目是专门为清华大学院士团队量身打造的碱性电解水制氢测试平台，主要用于研究碱性电解水制氢机理(包括催化剂、隔膜及电解槽结构)，提升碱性电解水制氢系统的性能，研究碱性电解水制氢系统与风、光等可再生能源系统耦合机理，以实现可再生能源的大规模电解水制氢。

该碱性电解水制氢测试平台的配置包括：

1) 1 套碱性电解水制氢系统，总产氢量为2.5 Nm3/h，其中包含4 个碱性电解槽，分别是3 个产氢量为0.8 Nm3/h 的碱性电解槽、1 个产氢量为0.1 Nm3/h 的碱性电解槽)；

2) 1 套氢氧分离器(卧式)、1 套洗涤器(立式)、1 套捕滴器和换热器；

3) 1 套氢气纯化系统(含1 个脱氧塔和3 个干燥塔)；

4) 15 个及以上的带传送功能的温度传感器、带传送功能的压力传感器、带传送功能的普能温度传感器(非露点仪)，以及12 个及以上的带传送功能的流量计，4 个及以上的电流传感器和电压传感器；

5) 1 套电解电源系统，可控制电流和电压范围覆盖4 个碱性电解槽的工作电流和电压；

6) 1 套可编程逻辑控制(PLC)系统及多电解槽协同自动控制策略；

7) 1 套上位机。

该碱性电解水制氢测试平台的模型设计如图6、图7 所示。

图6 碱性电解水制氢测试平台的模型设计Fig. 6 Model design of test platform of alkaline water electrolytic hydrogen production

图7 不同角度的模型设计Fig.7 Model design from different angles

该碱性电解水制氢测试平台已于2021 年9月初交付，现在处于安装调试阶段。图8、图9为碱性电解水制氢测试平台交付前在工厂内调试时的图片，图8 为碱性电解水制氢测试平台的制氢框架，图9 为碱性电解水制氢测试平台的纯化框架。

图8 碱性电解水制氢测试平台的制氢框架Fig. 8 Hydrogen producing framework of test platform of alkaline water electrolytic hydrogen production

图9 碱性电解水制氢测试平台的纯化框架Fig. 9 Purification framework of test platform of alkaline watere lectrolytic hydrogen production

该项目实施过程中遇到了诸多技术难题，但均得到了解决，具体包括：1)解决了校园实验空间受限不易集成的难题；2)解决了传感器数量多时信号互串的难题；3)解决了制氢电源不稳定的难题等。

4.3 某大型石化集团子公司新疆库车项目的碱性电解水制氢4 对1 方案

2021 年8 月下旬，考克利尔竞立公司针对某大型石化集团子公司新疆库车项目提供了碱性电解水制氢4 对1 方案。该方案在验证阶段为4 台1000 Nm3/h 电解槽对1 台4000 Nm3/h 纯化装置。

该项目采用多套碱性电解水制氢装备并联的操作方案，单套碱性电解水制氢装备的制氢能力为1000 Nm3/h，整个项目的总制氢能力目标为52000 Nm3/h。每8 台碱性电解槽集中布置在同一个厂房内，每4 台碱性电解槽共用1套气液分离设施，每8 台碱性电解槽共用1 套氢气纯化装置，单套纯化装置的处理能力为8000 Nm3/h( 业主招标过程中需要提前制造1套纯化装置用于性能测试，该设备的处理能力为4000 Nm3/h)；其余设施要求最大化共用。该项目的实际占地面积为46.5 m×43.0 m=1999.5 m2，年开工时数为8400 h；操作弹性(负荷范围)为30%～110%。

该碱性电解水制氢系统中各设备的平面布置图、三维布置图，以及细节的模型设计如图10～图14 所示。

图10 碱性电解水制氢系统中各设备的平面布置图Fig. 10 Plane layout plan of each equipment in alkaline water electrolytic hydrogen production system

图12 气液分离框架的模型设计Fig. 12 Model design of gas-liquid separation framework

图13 纯化框架的模型设计Fig. 13 Model design of purification framework

图14 碱性电解槽的模型设计Fig. 14 Model design of alkaline electrolyzer

该碱性电解水制氢系统的主要技术参数为：

1)碱性电解水制氢系统的综合能耗小于等于47.8 kWh/kg(H2)，电流密度大于等于2500 A/m2；2)电解槽的压力为1.80 MPa，成套设施的边界压力为1.55 MPa；3)单台电解槽的产氢量为1000 Nm3/h，氧气产量为500 Nm3/h；4)产品氢气纯度为99.9%，纯化设施出氢气的纯度为99.999%，氧气含量小于1 ppm，氮气含量小于5 ppm，氢气露点温度小于等于-70 ℃；5)氧气纯度大于等于98.5%；6)电解槽工作温度不大于95 ℃；7)操作弹性(负荷范围)为20%～110%；8)电解槽寿命大于30 年，其他部件寿命不低于25 年；9)环境温度为20 ℃时，设备冷启动时间(从零负荷到满负荷运行的时间)小于20 min；热启动时间小于3 min；设备从零负荷到满负荷运行的制氢时间低于1 min；10)考克利尔竞立公司自制整流柜的整流效率大于等于98.5%，与高效整流变压器结合后的整体变流效率大于等于98.0%。

该碱性电解水制氢系统的制氢工艺图如图15 所示，纯化工艺图如图16 所示。

图15 碱性电解水制氢系统的制氢工艺图Fig.15 Hydrogen producing process diagram of alkaline water electrolytic hydrogen production system

图16 碱性电解水制氢系统的纯化工艺图Fig.16 Purifciation process diagram of alkaline water electrolytic hydrogen production system

该碱性电解水制氢系统具有以下优点：1)电解槽采用一正两负的接电方式，系统压力为1.80 MPa；2)屏蔽泵采用“1 用1 备”方式，采用变频控制，可以降低运行单耗和维护成本；3)配备了电解槽碱液流量自动调节系统，从而可以保证各电解槽处于最佳工作状态；4)在产品气、再生气出口分别设置了双路调节阀，该调节阀的设置保证了碱性电解水制氢系统在低负荷运行状态下的稳定运行和气体纯化的效果；5)配备了冷凝液回收系统，实现了装备废液零排放。

该项目解决了诸多技术难题：1)解决了项目现场空间受限设备不易集成的难题；2)解决了制氢设备宽频调谐的难题；3)解决了制氢系统整流效率不高的难题；4)解决了制氢成本居高不下的难题等。

5 结论

本文对碱性电解水制氢技术进行了介绍与分析，对碱性电解水制氢多对一方案的设备布置进行了详细分析，并对实际碱性电解水制氢多对一项目进行了举例，分析了各个项目实际的技术参数配比。碱性电解水制氢多对一方案即多台碱性电解槽对应1 套后处理设备和1 套纯化装置。由于多对一方案省掉了额外的后处理设备和纯化装置，意味着省掉了更多的制氢框架、阀门、仪表、控制单元和线缆等过程元器件和组件，能够较大程度节省设备制造成本。同时，多对一方案在后续的设备维护和保养检修过程中做到了先期预判，最大程度节省了碱性电解水制氢装备的占地空间并最大程度地利用了装备本身的结构特点，有利于业主方的土方建设、暖通铺设、地沟建设等公用基础设施的安排和就位。从已做过的工程项目经验来看，碱性电解水制氢2 对1 的方案设计能节省25%的成本、45%的用地和公用设施；4 对1 的方案设计能节省35%的成本、55%的用地和公用设施。基于此，在能保证设备正常运行的情况下，相对于1 对1 的布局，大型能源企业在氢气需求量大的情况下，碱性电解水制氢多对一方案能在一定程度上起到降本增效的理想效果，更受业主方的欢迎。