2017, Vol. 39
近年来，风电在我国得到了迅猛发展，但与此同时，越来越多的困难正困扰着风力发电企业和电网公司，概括起来可归结为两点：1）不均匀的风力资源分布特征造成若干大型风电场聚集于某些区域，集中的大量风电都需要电网向外输送，使得原有输送电网通道不堪重负，大部分风电场上网电量受到限制，造成严重的弃风现象。在加快推进电网输送能力建设的同时，积极探索风电结合其他能源转换利用技术以提高风电场能源利用效率亦具有重要意义；2）随着风电规模的逐渐增大，风电的随机性和波动性特征正在给电网安全性带来越来越大的挑战。如何利用经济高效的储能技术优化风电品质已成为了全球能源领域一项具有挑战性的课题[1 – 3]。
氢气作为一种新型能源受到人们的普遍关注。许多专家认为，未来除了电以外，起重要作用的一种二次能源载体将是氢气[4]。氢气具有许多优点，对环境无污染，被誉为清洁的“新能源”。总体来说，氢能具有来源多样性、洁净环保、可存储和可再生等特点，同时满足资源、环境可持续发展的要求，是极具潜力的能源载体[5]。
电解水制氢系统能够将多余的电能转化为氢气储存起来，以备需要时作为燃料使用或通过燃料电池重新转化为电能进行使用。若能解决电解制氢系统与风电的匹配问题，将为日后大规模风电制氢推广应用积累多方面的基础数据和经验，具有重要意义。
1 水电解制氢原理水存在下面的电离平衡：
| ${{\rm{H}}_2}{\rm{O}} = {{\rm{H}}^ + } + {\rm{O}}{{\rm{H}}^ - }{\text{。}}$ |
将1对电极插入水中，通以电流，氢离子逐渐向阴极移动，在阴极上取得电子被还原为H2。Na+或K+离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H+先放电，析出氢；OH–逐渐移向阳极，阳极失去电子而被氧化为O2（见图1）。
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图 1 电解水制氢工作原理 Fig. 1 Working principle of water electrolysis |
纯水是极弱的电解质，H+及OH–离子浓度极少，在25 ℃时，[H+]=1×10–7 M；[OH–]=1×10–7 M。所以纯水几乎不导电。所以在水电解时必须加入其他的强电解质，以增强导电能力。此时：
阴 极：4H2O+4e→2H2↑+4OH–，
阳 极：4OH––4e→2H2O+O2↑，
总反应：2H2O→2H2↑+O2↑[6]。
2 电解制氢系统宽功率波动耐受性研究风能作为一种可再生能源，不确定性因素极多，1台风机一天内的功率输出波动范围非常大，因此就要求制氢系统的功率耐受范围尽量达到20%～100%，从而能够尽可能多的利用风能。制氢系统功率波动会对制氢装置产生一定影响，影响主要有2个方面：一是大幅波动对装备的寿命影响；二是对产品气体纯度暨系统安全性的影响。本课题主要从安全性角度出发进行讨论。
由图1可见，电解制氢系统工作过程中，阴极和阳极之间设置具有隔气透水功能的隔膜布，在保证阴阳极之间电解液交换的同时还能保证将绝大部分氢气和氧气互相隔绝，防止相互混合。
由于仍有少量的氢气和氧气渗透过隔膜，因此在水电解制氢装置中设有氧中氢纯度分析仪和氢中氧分析仪，鉴于氢气在氧气中的爆炸极限为4%～95%[7]，其监测范围为0%～2%，当超出设定范围时，制氢系统将会自动保护停机。基于水电解制氢装置本身特性及氢气渗透性强的特点，氢中氧纯度普遍优于氧中氢纯度，因此行业内使用氧中氢纯度作为衡量电解系统安全性最重要的指标。本实验使用KZDQ-20/3.2系列水电解制氢装置，该系统氧中氢纯度出厂指标要求为：≤1.5%[8]；该系统在额定工作状况下，氧中氢纯度稳定在1.05%左右（见图2）。
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图 2 运行时间—氧中氢纯度曲线（100%负荷） Fig. 2 Operating time - oxygen purity curve（100%load） |
在图2基础上，逐步降低制氢系统功率，并观察氧中氢纯度变化：
1）在不改变其他工艺参数前提下，将制氢系统功率调节至额定功率的75%，并对产品氧气的氧中氢含量进行监控（见图3）。
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图 3 运行时间—氧中氢纯度曲线（75%负荷） Fig. 3 Operating time - oxygen purity curve（75%load） |
氧中氢纯度在1 h内，随功率降低下降了约0.35个百分点，在随后的4 h内趋于稳定。
2）在不改变其他工艺参数前提下，将制氢系统功率调节至额定功率的50%，并对产品氧气的氧中氢含量进行监控（见图4）。
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图 4 运行时间—氧中氢纯度曲线（50%负荷） Fig. 4 Operating time - oxygen purity curve（50%load） |
氧中氢纯度随功率降低下降至约2%，达到了制氢系统安全运行的上限设置值。
结合上述2次测试结果：宽功率波动直接实验过程中，随着制氢系统功率下降，产品氧气中的氢气含量持续上升，在较低功率条件下不能够保证制氢系统运行的安全性，需要通过调整其他工艺参数，配合功率降低，来保证制氢系统安全运行。
2.2 工作温度对氧中氢浓度的影响在图2和图3的条件下，探索电解制氢系统工作温度对安全性的影响：
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图 5 运行温度—氧中氢纯度曲线（100%负荷） Fig. 5 Operating temperature - oxygen purity curve（100%load） |
1）在不改变其他工艺参数前提下满负荷运行制氢系统，将制氢系统工作温度在额定温度范围内调节，并对产品氧气的氧中氢含量进行监控（见图5）。
2）将制氢系统负荷降低至额定功率的75%，在不改变其他工艺参数前提下，将制氢系统工作温度在额定范围内调节，并对产品氧气的氧中氢含量进行监控（见图6）。
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图 6 运行温度—氧中氢纯度曲线（75%负荷） Fig. 6 Operating temperature - oxygen purity curve（75%load） |
结合2组实验结果：氧中氢纯度随工作温度的上升虽略有上升，但是升温10 ℃对氢中氧纯度的影响在0.02%以下，可以判断工作温度不是影响纯度的主要原因。
2.3 电解液循环量对氧中氢浓度的影响水电解制氢系统中的电解液，需要不断在氢/氧分离器及电解槽之间进行循环，起到向电解槽中补充电解液、带出产品气体、冷却电解槽等作用。
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图 7 运行时间—氧中氢纯度曲线（75%负荷、75%电解液循环量） Fig. 7 Operating time - oxygen purity curve（75%load, 75%circulation） |
KZDQ-20/3.2型水电解制氢装置额定电解液循环量为1.8 m3/h[8]，在不改变其他工艺参数前提下，将制氢系统功率及电解液循环量分别同时调节至额定值的75%和50%，并对产品氧气的氧中氢含量进行监控（见图7和图8）。
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图 8 运行时间—氧中氢纯度曲线（50%负荷、50%电解液循环量） Fig. 8 Operating time - oxygen purity curve（50%load, 50%circulation） |
可见，在将电解液循环量与系统功率同比调节下，氧中氢纯度能够稳定在1%左右。较2.1节实验中氧中氢纯度有明显提高，并且与水电解制氢系统满负荷运行时产品氧气的指标相当。
3 连续宽功率波动实验依据2.3节发现的规律进行扩展实验，通过调节电源输入给定功率值来模拟风力发电机输出功率随风速大小发生变化时的工况，以此进行宽范围内波动实验，功率最低时降至20%额定功率运行，详细功率波动实验数据如表1所示。
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表 1 功率波动耐受度数据记录 Tab.1 Data under power fluctuation |
由表1可见，在涵盖了20%～100%负荷下的宽功率波动条件下运行水电解制氢系统，根据功率波动情况同步调整电解液循环量，产品氧气中的氢气含量始终稳定在1.04%～1.10%之间，能够满足水电解制氢系统的出厂指标。有效地解决宽功率波动条件对产品气纯度的影响，满足了宽功率波动条件下对制氢系统安全运行的要求。
4 结 语本文结合风电特性对负载侧的要求，对水电解制氢系统的宽功率波动适应性开展了相关实验，通过改变工作温度、电解液循环量等参数进行了对比实验，找到了复杂功率波动工况下保证水电解制氢系统安全平稳运行的技术途径。为水电解制氢装置工艺的进一步改进及自动化程度的进一步提高提供了有力支持，为微电网风电耦合制氢及氢能综合利用提供了理论依据和基础数据。
| [1] | 段树华. 应用于船舶的自动化风力发电系统研究[J].北京:舰船科学技术, 2016, 38(2): 40–42. |
| [2] | 吝子东. 水电解制氢技术发展前景[J].邯郸:舰船防化, 2014(2). |
| [3] | 时璟丽. 风电制氢经济性分析[J].北京:中国能源, 2015, 37(2): 11–13. |
| [4] | 刘明义. 电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用[EB/OL]. 中国学术期刊电子出版社, 2014. |
| [5] | 蔡炽柳. 氢能及其应用前景分析[J].能源与环境, 2008(5). |
| [6] | 电子工业部第十设计研究院. 氢气生产与纯化[M]. 哈尔滨:黑龙江科学技术出版社, 1983. |
| [7] | 王廉舫. 水电解制氢氧[M]. 长沙:湖南省工业气体专委会, 1995:1-4. |
| [8] | 中国船舶重工集团公司第七一八研究所. KZDQ-20/3.2系列制氢装置安装使用说明书[Z]. 2015. |