耗水量竟然是制约水电解制氢技术的关键？

随着全球对清洁能源需求的持续增长，水电解制氢技术因其无污染、高纯度的特性，正逐渐成为一种极具发展潜力的制氢方式。

本文将深入探讨水电解制氢的机理、方法、设备特性，以及其在耗水量和经济性方面所遇到的问题和相应的解决策略。

水电解制氢机理

水电解制氢是基于电化学反应的原理，通过直流电的作用，使水分子分解为氧气和氢气，分别从电解槽的阳极和阴极排出。

具体来说，电解过程中，氢离子与水反应生成氢氧根离子（OH⁻），OH⁻进入阳极，在催化剂的作用下分解为水和氧气，并释放能量，这一能量可被用于驱动如太阳能电池板等设备。

水电解制氢的三种方法

碱性电解水制氢：采用非石棉材料作为隔膜来分离气体。工业上常用的碱水电解槽使用质量分数为20%-30%的氢氧化钾溶液作为电解液，运行温度为70-80℃，工作电流密度约为0.25安培/平方厘米，气体压力为0.1-1.6兆帕，总效率在62%-82%之间。

此技术成熟，投资与运行成本低，但存在碱液流失、腐蚀和能耗较高等问题。

质子交换膜（PEM）电解水制氢：采用化学稳定性好、质子传导性和气体分离性能优异的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质，有效防止电子转移，提高电解槽的安全性。

高温固体氧化物电解水制氢：使用固体氧化物作为电解质材料，工作温度高达800-1000℃，显著提升了制氢过程的电化学性能和效率。

水电解制氢设备的特性

水电解制氢技术成熟，设备简单，具有无污染、高纯度的优点，适用于各种场所。然而，其能耗较高，导致制氢成本相对较高。

目前，商用电解水制氢设备的工作压力为0.1-1.6兆帕，工作环境温度为80-90℃，制氢纯度达到99.7%，制氧纯度为99.5%。当前商用电解水制氢的能耗约为4.5-5.5千瓦时/立方米氢气，能耗等级在72%-82%之间，成本约为30-40元/公斤。

电解水制氢的耗水量问题

绿氢耗水量与应用规模：耗水量主要来自制氢过程和上游能源载体生产。制氢时，电解水制氢的最低消耗量约为9公斤水/公斤氢气，考虑水的脱盐过程，比例约为18-24公斤水/公斤氢气。

在上游能源载体生产环节，光伏发电的耗水量在2.4-19公斤水/公斤氢气（50-400升/兆瓦时），风力发电的耗水量在0.2-2.1公斤水/公斤氢气（5-45升/兆瓦时）。

一般而言，光伏发电和风力发电产生氢气的总用水量平均为32公斤水/公斤氢气和22公斤水/公斤氢气。

即使在保守情况下，使用海水淡化制氢，水成本也低于制氢总成本的2%，海水淡化能耗仅为制氢总能量的1%左右，因此水消耗不应成为扩大绿色氢应用的主要障碍。

总水足迹与能源类型：使用可再生能源时，水电解制氢的水足迹较低；若使用化石能源，则用水量会大幅增加。

未来用水量展望：尽管能源转化和氢能需求的增加会使电解水制氢的用水量上升，但从宏观角度看，其用水量仍远低于其他领域。

降低成本的途径

降低能耗，提高电解效率：碱性电解技术成熟但效率低，仅为60%-75%。质子交换膜（PEM）和固体氧化物电解（SOEC）技术可有效提高电解效率，尤其是PEM技术已引入国内市场，但尚需进一步推广。

利用低价电作为制氢原料：中国的大工业电价低于世界平均水平，西北地区电价尤为低廉。同时，中国面临弃风弃电问题，2018年全国弃风弃电量达277亿千瓦时，其中西北地区占比60.25%。若每立方米氢气用电5千瓦时，全国弃风发电可生产55.4亿立方米高纯氢气。

然而，弃风弃电产生的电压不稳定，难以大规模应用。长远来看，光伏和风电将是电解水制氢企业低成本用电的主要来源。

综上所述，水电解制氢作为一种绿色制氢技术，尽管在耗水量和经济性方面面临挑战，但随着技术的不断进步和对可再生能源的充分利用，有望在未来能源体系中发挥重要作用。

原文始发于微信公众号（氢能新世界）：耗水量竟然是制约水电解制氢技术的关键？

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