刘晓天I，尹永利"2，郑尧3，任会平3
（1.深圳市绿航星际太空科技研究院，广东深圳518055；
2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；
3.四川航电微能源有限公司，四川成都610051）
摘要：随着可再生能源在国家能源体系中的比例越来越高，建立合理的可再生能源储能和应用体系十分重要。氢储能具有存储范围大、存储时间长等特点，很适合与可再生能源结合。这里从构建氢储能体系的角度出发，介绍并对比了不同水电解制氢技术的发展状况，质子交换膜（PEM）水电解制氢技术具有电流密度高、耐功率波动范围大、响应时间快、更适用于可再生能源的发电特点。此外，还对氢储能的应用模式进行了深入分析，分别针对用电侧和发电侧方向，描述了适合氢储能的多种应用模式，为推进可再生能源与氢储能的快速发展和市场化应用指明了方向。
关键词：氢储能；可再生能源；储能系统
中图分类号:TK91文献标识码：A文章编号：1000-100X（2020）12-0037-04
Application Mode of Water Electrolysis to Produce Hydrogen in
Electric Energy Storage System
LIU Xiao-tian1,YIN Yong-li'2,ZHENG Yao3,REN Hui-ping3
(1.Space Science and Technology Institute(Shenzhen),Shenzhen518055,China)
Abstract:Establishment of reasonable renewable energy storage and application system becomes extremely important with the higher proportion of renewable energy in national energy system.Hydrogen energy storage is suitable for renewable energy due to the advantages,such as large storage area,long storage time,etc.The establishment of hydrogen energy storage is focused on,and development of various hydrogen production techniques by water electrolysis are in・troduced and compared.Hydrogen production by proton exchange membrane(PEM)electrolysis is more suitable for renewable energy electricity generation due to various advantages,such as high current density,large withstand power fluctuation range and short response time.Moreover,the application model of hydrogen storage is also evaluated,espe-cially the power demand side and power supply side.Hydrogen storage is suitable for variable modes,promoting the rapid development and marketization application of renewable energy and hydrogen energy storage to a large extent. Keywor
ds:hydrogen energy storage；renewable energy；energy storage system
Foundation Project:Supported by Science and Technology Planning Project of Guangdong Province of China
(No.2017B010122001)
1引言
太阳能、风能等可再生能源具有来源广泛、环境友好等特点，随着能源和环境问题日趋严重，各国都在大力发展可再生能源。但是由于可再生能源存在间断性、不稳定性等问题，导致部分可再生能源产生的电力无法并入电网使用，从而出现了“弃光、弃风”等能源问题⑴。为了提高可再生能源的并网效率，需要制定合理的可再生能源应用策
基金项目：广东省科技计划项目（2017B010122001）
定稿日期:2020-11-10
作者简介：刘晓天（1987-），男，山东平度人，博士，研究方向为氢能源。略和模式，保证电力系统的安全性、灵活性和稳定性。在不同提高可再生能源发电效率的方法中，储能技术发展迅速，它能够实
现电网侧的调峰调频、提高电网侧的稳定性以及改善用户侧的用电价格和质量。目前主要的储能技术包括飞轮储能、抽水蓄能、电池储能和水电解制氢储能等⑷。水电解制氢技术是一种将电能转化为化学能的方式，它是目前进行可再生能源储能最有效的方法。水电解制氢储能具有存储范围大、存储时间长、应用范围广、操作简单等特点，很适合与可再生能源构建储能系统，提高可再生能源发电系统的供电稳定性、提高可再生能源的发电效率I%此外，通过电解得到的氢气，既可以作为燃料进行发电或供热，也可
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以为氢燃料电池汽车提供能源，同时还可以应用在传统气体工业、工业合成、消碳减排、天然气掺氢等领域同。因此设计合理的可再生能源与氢储能的应用模式、选择适合的水电解制氢技术与设备、提高氢储能的能源利用效率成为目前可再生能源氢储能的主要发展方向。
这里主要介绍不同水电解制氢技术的特点，分析不同水电解制氢技术在储能领域的优势与劣势，并对可再生能源与氢储能的应用模式及发展前景进行讨论。
2水电解制氢技术
水电解制氢技术连接着可再生能源与氢气的存储系统，是氢储能最主要的环节之一。水电解制氢技术的
发展直接影响着氢储能系统的规模与稳定性。目前主要的3种水电解方式为碱水电解制氢技术、固体氧化物电解技术及PEM电解技术问。此小节主要对这3种水电解技术进行具体介绍。
2.1碱水电解制氢技术
碱水电解制氢技术是一种很成熟的水电解制氢技术，早在上个世纪初就有大规模制氢设备应用于工业领域。1927年，挪威HYDRO公司研制出了第一台常压碱水电解制氢装置，并将其应用于合成氨领域。随着电解槽技术的发展,2011年德国LURGI公司与BAMAG公司合并成为世界最大的碱水电解生产商ELB，该公司的加压式电解槽的最大氢气产量和运行压力分别能达到1400Nm3/ h和30MPa，其额定功率能够达到6MW|6)O由于受到碱水电解制氢技术自身技术特点的限制，碱水电解槽的体积较大。近十年随着电极、隔膜及机械技术的改进，碱水电解系统逐渐向小型化和集成化箱式电解槽的方向转变，美国Teledyne与挪威Nel等公司都有不同氢气产量的集成化碱水电解系统，集装箱电解系统氢气产量在400-500Nm3/ h o我国碱水电解制氢发展较快，目前已经接近国外先进技术，国内具有生产兆瓦级碱水电解槽的公司主要有苏州竞力、天津大陆、中船重工718所等，电解槽的最佳电解效率能够达到80%，产氢量不小于600Nm3/h o由于碱水电解的技术成熟、设备成本低、产氢量大，世界上的很多公司都在开展利用可再生能源与水电解相结合的能源项目。但是由于碱水电解制氢技术存在工作电流密度小、耐功率波动范围窄以及响应时间慢等问题，导致碱水电解技术与可再生能源的储能系统设计复杂，能源利用率低、维护费用高卩期。
382.2固体氧化物电解技术
固体氧化物电解技术在上世纪70年代由美国通用电气和布鲁克海文国家实验室开始研究。上世纪80年代,Donitz和Erdle第一次使用以固体电解质为支撑体的管式固体氧化物电解槽(SOEC)，并测试其长期稳定性。近10年来，随着固体氧化物燃料电池(SOFC)技术的快速发展，固体氧化物电解技术同样引起广泛关注,Haldor Topsoe、Fuel Cell Energy‘Toshiba以及SunFire等公司都在努力将这种技术从实验室向市场进行转化。其中，SunFire公司已经制造了额定功率为150kW的小型商用化固体氧化物电解水系统何。
由于SOEC是在高温下进行水电解反应，电解电压的大小决定了电解槽的效率。当电解电压小于该温度下电解反应的热中性电压时，一部分热能提供反应热，此时电解槽的电压效率大于100%o当电解电压大于该温度下电解反应的热中性电压时，剩余电能转化为热能，此时电解槽的电解效率小于100%。虽然电压效率变小，但此时电流密度随着电解电压的增大而增大，相应的氢的生成速度也会增大⑷。使用何种模式工作，取决于外部环境对电解系统能量的供应。如果在核电站或热电站等可提供废热的设施附近，更适合吸收热能的方式发电；如果在太阳能或风电站等可提供弃电的设施附近，更适合吸收热能的方式发电。所以如何将固体氧化物电解制氢的效率最大化，需要根据可再生能源的实际情况进行综合分析。
2.3PEM电解技术
聚合物电解质膜或PEM电解技术，有时也被称为固体聚合物电解(SPE)技术，是由美国通用电气公司在20世纪70年代最开始进行研究，并将其应用于航天和水下航行器领域。近年来，加拿大Hydrogenics、挪威Nel、美国Giner、德国Siemens 和H-Tec、英国ITM等公司均在PEM电解系统的商业化研究与制造方面开展了较多工作冋。目前美国Giner公司、德国Siemens公司和加拿大Hydrogenics 公司生产的水电解系统的额定功率己经可以达到兆瓦级，这3个公司的水电解系统最大产量可分别达到400Nm3/h,300Nm7h和225Nm3/h，额定功率分别为2MW,1.5MW和1.25MW112]0国内在PEM电解技术领域起步较晚，但目前很多单位都展开了较为深入的研究。中船重工718所、山东赛克赛斯、中科院大连化物所以及深圳市绿航星际太空科技研究院等都在实际应用的过程中口取得了一定进展，目前最大的电解系统可达到兆瓦级。
水电解制氢在电力储能系统中的应用模式
PEM电解技术作为新一代电解技术，具有电流密度大、启动时间快、气体纯度高、功率负载范围大、产品体积小、耐高压、安全可靠等技术特点。其中，启动时间快和功率负载范围大的特点使PEM电解系统具有处理电力波动或间歇负载的特点；同时PEM电解技术不存在气体混合的安全问题，因此很适合建立可再生能源的储能系统。通过使电解系统的输入特性与太阳能光伏或风力发电机的输出特性相匹配，可以实现两个系统的直接耦合。Clarke等成功将2kW的PEM电解系统与太阳能光伏阵列进行匹配网。
3可再生能源氢储能的应用模式
可再生能源-水电解制氢储能系统通过水电解技术将可再生能源的电能转化为氢气，而氢气可应用在发电、供热、合成燃料与新能源汽车等多个应用领域。氢储能系统结合不同的应用领域制定了多种模式，包括：氢储能电转电模式（PtP）、氢储能电转气模式（PtG）及氢燃料加氢站（PtM）等问，从而最大化地发挥氢储能的应用价值。
3.1PtP
PtP能很好地解决可再生能源的发电问题，解决可再生能源的并网问题、调峰调频问题，建立区域微电网，为电能的存储与高效利用提供了新思路。
3.1.1可再生能源电站氢储能发电系统
可再生能源电站氢储能发电系统可以解决短期内电站的调峰调频和长期的季节性储能问题，具体工作模式如图1所示。
电网
水电解制氢系统储氢系统储謬廳素统
图1示意图1
Fig.1Schematic diagram1
在氢储能系统中，首先，利用可再生能源的谷电或弃电进行水电解制氢，通过气体存储装置将反应得到的氢气和氧气进行短期或长时间的存储；然后，利用燃料电池装置或氢气发电机将存储的氢气再转化为电能，从而有效提高电力系统在负荷低谷时段接纳间歇性可再生能源发电的能力，有效提高电力系统在用电高峰期的发电能力。此外，该模式也可在输电线路阻塞时将电能转化为氢气，通过管道网络输往不在阻塞区域的燃气机组进行发电，以避免或缓解系统阻塞。
3.1.2家用分布式氢储能发电系统
家用分布式发电系统主要由太阳能发电系统、水电解制氢系统、储氢系统、燃料电池发电系统、智能电网、热管理系统、加氢系统等主要应用系统组成，具体工作模式如图2所示。
麻气热量管理噹嚣-水电常加氢氢燃料汽车
储能系统
图2不意图2
Fig.2Schematic diagram2
家庭能源的需求主要体现在对电能、热能的需求等方面。在光伏发电-水电解制氢-燃料电池系统中，太阳能发电是其主要的能量来源，通过将光伏太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，吸收太阳能工作产生的电能来供家庭使用。
但太阳能发电系统只能在白天工作，为维持24h的能量需求，需要一个智能微电网对家庭能源进行管理。白天，智能微电网将太阳能产生的电能一部分直接提供给用户使用，另一部分提供给水电解制氢装置产生氢气，然后将产生的氢气存储起来。夜晚不能提供太阳能时，通过PEM燃料电池或者SOFC发电，为住户们提供电能和热能。
3.1.3离网氢储能发电系统
可再生能源-水电解制氢系统还可以应用于局部电网。相对于主电网，独立于主电网的局部电网可以满足特定用户的需要，比如远离主电网的孤岛、边缘地带、军事设施以及其他无法使用主电网覆盖的核心区域等。这些地域很难获取主电网充足的电力供应，这就为建设局部电网提供了需求。以海岛微电网为例，由于海岛上的风能与太阳能资源丰富，海岛微电网需要以可再生能源为基础。由于海岛需要能源自给自足，所以可再生能源需要通过水电解制氢以及储能电池的方式将能量存储起来，进行电力调节。当可再生能源不足时，
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第54卷第12期2020年12月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.54,No.12
December2020
使用存储起来的能源进行小岛的能量供给。此外，制备的氢气还能够为氢燃料电池汽车提供氢气以及为岛内住户提供能源。
3.2PtG
PtG是通过水电解制氢技术将可再生能源的电能转化为氢气，并将其应用于电能以外的应用领域，具体应用过程如图3所示。
高碳排企业CO2分离
图3不意图3
Fig.3Schematic diagram3
在PtG下，首先可将H2和C02合成为甲烷或甲醇等燃料，该过程既可以解决区域内碳基燃料的需求，也能够利用比的甲烷化而降低CO?的排放量，从而降低高碳排企业的碳税成本。其次，可以在天然气管道中进行掺氢，一方面出可以替代部分甲烷，缓解局部区域天然气的供应压力，降低燃料的碳排放；另一方面，能够实现出的大规模运输，实现绿氢能源结构。
3.3PtM
氢燃料电池汽车是通过燃料电池将氢能转化为电能来驱动汽车工作。氢燃料的来源问题和基础设施的匮乏是目前的主要问题，世界各国都在加紧规划对制氢设施和加氢站的建设。目前，国内已经建造的加氢站的模式主要是通过管束车向加氢站提供出，而比的主要来源还是化石能源的制氢。由于没有解决污染、碳排放和成本的问题，这样的模式只是现阶段的过渡模式，未来的加氢站还是需要采用更为环保的可再生能源在站制氢模式，具体如图4所示。
现场水电解制氢储氢系统
图4不意图4
Fig.4Schematic diagram4
在该模式下，使用大型可再生能源-水电解制氢电站的供氢网络或者小型可再生能源-水电解制氢现场制氢加氢站的模式，很好地解决了环境问题和运输问题，该模式很适合为氢燃料电池汽车提供H2。
3.4氢储能的应用发展前景
在我国能源转型的大背景下，氢能源并不能取代传统能源与可再生能源，氢能源可以作为能源的载体，在特定的模式下进行应用。在PtP下，氢储能的最大优势是它的灵活性，可根据可再生能源发电系统的要求进行从几小时到几十天的储能时长，利用比的甲烷化过程更能将氢储能作为季节性储能方式来推广。
但是目前还需要进一步降低燃料电池的制造成本以及提高燃料电池的使用寿命。在PtG下，通过氢储能制备低碳能源，从而降低能源、运输以及供暖领域的碳排放，很好地推动低碳能源的发展。而在PtM下，氢储能一方面能为氢燃料电池汽车提供绿燃料，另一方面可以为可再生能源与用户侧提供更好地连接。但以上氢储能应用模式的建立，还需要依靠政府的支持，同时需要在氢安全标准、关键技术研发以及整体系统运营等方向进一步发展。
4结论
随着我国大力发展可再生能源，可再生能源的消纳和存储是下个阶段我国重点发展的方向。氢储能相对于其他储能方式，具有一次性投资资本较小、存储时间长、存储能量范围广等优点，与可再生能源相结合有很广阔的应用前景。尽管目前应用中主要采用碱水电解制氢的储能方式，但是随着质子交换膜电解技术的成熟，其耐功率波动与快速响应的特点更加突出，相比碱水电解技术，质子交换膜电解技术更适合与可再生能源结合进行高效率的氢储能。此外，在特殊区域推广，包括并网系统、分布式发电系统、现场制氢加氢站等，既可完成可再生能源与氢能源的相关技术，完善氢储能的应用模式，又能推动产业链的快速发展，从根本上解决可再生能源的消纳与存储问题。
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40
无人机用燃料电池动力系统分析研究
的日历寿命可达到10年以上，而锂电池的寿命约6~8年，在日历寿命上，氢燃料电池动力系统更长。
环境效益在资源利用方面，氢燃料动力系统的效率高、能源使用量少，资源利用率更高；在环境保护方面，氢燃料动力系统在制造、使用环节清洁环保，即使报废也无污染排放，而锂电池动力系统报废时会产生重金属、酸等污染物。综合而言，燃料电池动力系统环境效益更好。
4结论
近年来，燃料电池无人机已经由新概念探索、关键技术攻关，正在迅速的向实用化、工程化迈进。相关的核心技术，如总体设计技术、轻量化能源技术、能源管理与控制技术等己取得突破性进展，相关的设计与验证的地面仿真平台和空中飞行平台已经逐渐形成。未来为了充分发挥燃料电池能量密度高的优势，需要继续研究氢燃料电池无人机动力系统的轻量化，最大限度满足长航时需求；开展控制系统集成优化，综合考虑氢燃料电池、锂电池等多种能源，开展能源动力系统的控制技术研究；提高燃料电池动力系统的经济性，降低成本，拓展应用范围。参考文献
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