电解水制氢、氢气发电的能量转移逻辑

一、电解水制氢方式简述

1.AWE：碱性水电解水制氢

AWE电解水制氢原理示意图

2.AEM：阴离子交换膜电解水制氢

AEM电解水制氢原理示意图

3.PEM：质子交换膜电解

AEM电解水制氢原理示意图

4.SOE：高温固体氧化物电解水制氢

SOE电解水制氢原理示意图

二、整套设备构造以及基本参数

电解水制氢设备构造示意图

1.AWE：碱性水电解水制氢

隔膜：石棉膜

电解液：通常为20%~30%的KOH溶液

阴极、阳极：金属合金，如Ni、Mo、Mn合金等。

工作电流密度：0.25~0.5A/cm2，未来会达到0.8A/cm2。（不过据我拿到的资料显示现状国内设备供应商已经有做到0.9A/cm2）

工作温度：90度以下

产生气体压力：

目前单体最大：1250Nm3 /h。

缺点：难易快速启动和变载

优点：设备生产制造工艺成熟

2.PEM：质子交换膜电解

隔膜：质子交换膜

膜电极：由阴阳极气体扩散层、催化层、质子交换膜层构成（类似于燃料电池膜电极结构）

催化剂：碳基贵金属材料

工作温度：85度以下

工作电流密度：1~4A/cm2，未来的指标会更高。

优点：能快速启动和变载，对电力输入的适应性强。

3.AEM：阴离子交换膜电解水制氢

目前处于研发阶段，数据暂不讨论

4.SOE：高温固体氧化物电解水制氢

目前处于开发阶段，数据不完善，咱不讨论。

5.四种电解水制氢方式汇总对比，如下图

各电解水在制氢参数大概参考

三、电解水耗水量

水的消耗来自两个步骤:氢气生产和上游能量载体的生产。

1.就氢生产而言，电解水的最小消耗大约是每千克氢消耗9千克水。然而，考虑到水的脱矿过程，这一比例可以在每千克氢18到24千克水之间，甚至高达25.7到30.2。

2.光伏发电的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之间变化。

3.风力发电的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之间。

结论：光伏发电和风能产生氢气的总耗水量平均分别为32和22 kgH2O/kgH2左右。

说明：不确定性来自太阳辐射、寿命和硅含量等。

四、电解水制氢、氢气在发电的能量转移逻辑

1.电解水制氢能量效率

考虑水的纯化脱盐等过程，目前的所有电解水制氢工艺制取一公斤氢气总耗电量在50~55KWh（度），1度电对应3600KJ，50~55KWh换算成能量单位也即180000KJ~198000KJ。

1公斤氢气热值（所含能量值）：143000KJ

这个过程能量转化效率计算为：

能量转移效率：143000/（180000~198000）=72%~79%

2.氢气发电或者热电联供效率。

目前氢燃料电池发电效率在40~60%，其余部分主要表现为热能。考量热电联供效率整体可以到90%左右。

3.电—氢—电的总效率

1）非热电联供：32%~48%。

2）热电联供：65%~72%。