太　阳　能第5期　总第337期
2022年5月No.5　Total No.337 May, 2022
SOLAR  ENERGY
0  引言
氢能具有来源多样、利用高效、清洁环保等特点，是构建以可再生能源为主的多元能源供应体系的重要载体。国际可再生能源署(IRENA)根据氢气的生产过程和来源，将其分成灰氢、蓝氢和绿氢[1]。我国氢气的年产量约为3300 万t，其中，煤制氢占比约为62%，可再生能源电解水制取的绿氢占比不足1%。但煤制氢过程中CO2排放强度较高，制取1 kg氢气排放的CO2约为20 kg[2]，属于灰氢。
近年来，在国家相关政策支持下，中国的风电、光伏发电产业发展迅速。2020年，中国风电总装机容量为28153 万kW，年发电量为4665 亿kWh；光伏发电总装机容量为25301万kW，年发电量为2611亿kWh[3]。此外，中国水力发电的年发电量在总发电量中的占比已达约18%。中国可再生能源产业的高速发展为正在兴起的绿氢生产提供了良好的发展条件。
电解水制氢是高电能消耗过程，针对如何使拟建的大规模生产绿氢的系统实现较低能耗和维持低成本的问题，应依据拟建项目的实际电力供应条件、氢气/氧气的应用场景(包含用途、技术参数、现状及前景等)进
行认真、深入的技术经济分析研究，制定低能耗、低成本、真正的低碳(零碳)建设方案。本文基于绿氢理念，介绍了生产绿氢的大规模电解水制氢系统的组成和设备配置要求，为合理搭建绿氢生产系统、降低氢气生产成本提供参考。
1  大规模电解水制氢系统的组成
自20世纪60年代起，中国电解水制氢系统由以常压系统为主逐步发展为以压力系统为主。多年来的建设和运行实践证明，碱性电解水制氢系统由水电解槽及其辅助设备、原料水制备装置、碱液制备装置、氢气纯化装置、氢气压缩机、氢气储罐、直流电源、自控装置等组成更为合理[4]。规划建设电解水制氢系统时，应根据供电电源、应用场景和技术参数(氢气纯度、压力、用量及其负荷变化状况)等因素，经过对建设投资、能源消耗、产品成本等技术和经济方面对比分析，合理进行各种装置、设备配置。
系统组成及其装置、设备的配置对于大规模
DOI: 10.19911/20220318.01 文章编号：1003-0417(2022)05-33-07
大规模电解水制氢系统的发展现状
许　卫1*，李桂真1，马长山2
(1.天津市大陆制氢设备有限公司，天津  301609；2. 中科智寰(北京)科技有限公司，北京  100094)
摘　要：在“双碳”目标背景下，随着氢能产业发展中长期规划的发布，氢能上升到国家能源战略地位。利用风电及光伏发电电解水制氢，将间歇性可再生能源转化为氢能，可实现多种能源跨地域、跨时间优化配置。
以利用可再生能源发电电解水制氢为例，介绍了目前大规模电解水制氢系统的组成及主要设备配置要求，为合理搭建绿氢生产系统、降低氢气生产成本提供参考。
关键词：电解水；制氢；氢能；可再生能源
中图分类号：TQ116.2  文献标志码：A
收稿日期：2022-03-18
通信作者： 许卫(1969—)，男，高级工程师，主要从事电解水制氢技术方面的研究。xuwei@cnthe
大规模电解水制氢系统的主要设备配置
大规模电解水制氢系统的主要设备包括电解水制氢装置、氢气纯化装置、氢气压缩机、储氢罐等。该系统主要设备配置原则为：在充分满足电力供应条件和氢气应用场景的前提下，做到能量消耗少、氢气成本低、运行安全可靠。
电解水制氢装置
电解槽
整流变压器
整流柜
控制系统
附属设备
图2  典型的成套电解水制氢装置
Fig. 2  Typical complete set of water electrolysis hydrogen
production equipment
电解槽是电解水制氢系统的核心设备，目前主要有3种电解槽：碱性电解槽、质子交换膜(PEM)电解槽和固体氧化物(SOEC)电解槽。其中，SOEC 电解槽的操作温度为650～1000 ℃，目前还处在示范运行阶段。碱性电解槽和PEM 电解槽已经商业化，碱性电解槽在效率、使用寿
氢用户
图1  大规模电解水制氢系统组成示意框图
Fig. 1  Schematic block diagram of composition of large-scale water electrolysis hydrogen production system
A B
原料水 制备装置
H 2O
H 2
氧用户
氧缓冲罐
O 2
氧液化 装置
液氧 储罐
氢缓冲罐
变压器电
电解水 制氢装置
氢缓冲罐
氢气纯化装置
氢气压缩机
整流器
调压和 计量装置
氢用户
储氢罐
氢用户
20
304050
60708090100
氢气产量/%A B C
95
93918987858381797775图3  制氢装置直流能效和产气量的关系曲线
Fig. 3  R elationship between DC energy efficiency and gas
production of water electrolysis hydrogen
production equipment
从图3中可以看出，随着氢气产量由20%增加到100%，直流能效可以从95%下降到78%，制氢装置在较
低产气量下具有更高的能效。以上数据是根据我国电解水制氢系统能效限定值及能效等级标准[6]计算得出。
在碱性电解槽设计之初，其动态响应速度不是主要技术指标。实际运行显示，当负荷变化时，装置秒级响应对温度、液位、压力等重要参数无较大影响；在水电解槽停车并保温7.5 h 后再开车，12 min 就可以达到额定电流。从欧洲所做的
a.附属设备框架
b. 电解槽
4  氢气产量为1000 m3/h的电解水制氢装置Fig. 4  Water electrolysis hydrogen production equipment with
hydrogen output of 1000 m3/h
氢气产量为1000 m3/h的国内2种型号碱性电解水制氢装置主要技术参数[8-9]
Table 1  Main technical parameters of two domestic models of alkaline water electrolysis hydrogen production equipment with hydrogen output of 1000 m3
技术指标FDQ-1000/1.6DQ/1.6-1000氢气产量/(m3•h-1)10001000
氧气产量/(m3•h-1)500500
:
1
:
2
:
6
:
1
6
:
2
:
1
2
:
2
2
:
8
:
1
8
:
4
:
1
4
:
:
1
:
2
:
6
:
1
6
:
时刻
1234567 4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
{{{{{
{{
吐鲁番市某光伏发电站2015年2月1—7日发电曲线Fig. 5  Power generation curve of a PV power station in Turpan
from February 1 to 7, 2015
时刻
16171819202122 {{{{{
{{ 0
:
1
:
2
:
6
:
1
6
:
2
:
1
2
:
2
2
:
8
:
1
8
:
4
:
1
4
:
:
1
:
2
:
6
:
1
6
:
0 6000
5000
4000
3000
2000
1000
图6  吐鲁番市某光伏发电站2015年8月16—22日
发电曲线
Fig. 6  Power generation curve of a PV power station in Turpan
from August 16 to 22, 2015
图7是甘肃省酒泉市某风电基地连续15天的大/小风电出力曲线[10]。
从图5～图7可以看出，光伏发电、风电的波动性、不确定性十分显著。针对拟建项目的光伏发电/风电特点，电解水制氢装置需确定设备
10080604020
第1日第3日第5日第7日第9日第11日第13日第15日
大出力
小出力
7  酒泉市某风电基地连续15天大/小风电出力曲线Fig. 7  Large/small wind power output of a wind power base in
Jiuquan for 15 consecutive days
型号、数量及制氢/供氢的均衡/负荷率，原则上应依据拟建项目的光伏发电/风电的季、月、日、时段的输出功率曲线，是否具有辅助/备用电源，氢气用户的负荷状况，以及储氢设施可能配置状况等因素(或条件)，进行综合技术经济比较，确定电解水制氢装置的选型、总制氢
水氢汽车1) 发电端：提供电能输入，为3个3.3 MW 的光伏阵列，共9.9 MW ，配置MPPT 。
2) 直流微网：低压1500 V DC 直流母线，可实现直流微网发电侧的能量单向流动控制、故障隔离和维护，以及电量计量等；直流微网用电侧的短路保护、能量单向流动控制、故障隔离和维
护；直流微网电网闪变抑制，以及接地故障的检测、定位和保护；直流微网与交流电网的互联互通，连接接口的短路保护、能量双向流动控制、故障隔离和维护等。
3) 负荷：产氢量为1200 Nm 3/h 的碱性电解水制氢装置，额定功率为6 MW 。直流制氢电源
图8  基于直流微网的光伏发电制氢电气拓扑结构图
Fig. 8  Electrical topology diagram of DC microgrid for hydrogen production powered by PV power generation
MPPT DC/DC MPPT DC/DC MPPT DC/DC
MPPT DC/DC MPPT DC/DC MPPT DC/DC MPPT DC/DC MPPT DC/DC MPPT DC/DC 光伏阵列1#
光伏阵列2#
光伏阵列3#
1500 V DC 短距离传输1500 V DC 短距离传输1500 V DC 短距离传输
直流1500 V DC 微网汇集保护
馈入保护柜1#
馈入保护柜2#
馈入保护柜3#
直流母线保护柜
双向断路器柜2#
双向断路器柜1#
馈出断路器柜
直流制氢电源
电解槽
联网变流器1#
35 kV 电网
联网变流器2#
联网变压器2#3150 kV A
联网变压器1#3150 kV A
1500 V DC
1500 V DC
1500 V DC