中国石化质子交换膜电解水制氢
2023/3/14
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[中国石化新闻网2023-03-13]中原油田倾力打造“绿氢”供应示范工厂项目，建成拥有我国最大的质子交换膜（PEM）电解水制氢装置，运行效率高，树立了PEM电解水制氢技术的典范。它利用纯水作为电解液，在电解过程中不添加任何化学药品，具有较高的电流密度和安全性2023年03月13日来源：中国石化报作者:杨敏杨岭敏阅读提示
氢能在释放能量的过程中不产生碳排放，在能源转型中扮演着越来越重要的角色。近年来，中国石化大力推动能源绿色低碳转型，将氢能作为新能源核心业务推进，着力打造中国第一氢能公司。位于中原油田的中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目就是中国石化推动绿色低碳转型的重要探索实践。该项目由中原油田牵头，多所研究机构及多家企业共同参与，从科研示范立项、设计到建设、投产，历时1年半。目前，该示范项目已平稳运行两个月。
位于中原油田的中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目是中国石化科研示范项目，由中原油田牵头，通过研究并设计可再生电力（风电、光电）电解水制氢模块化工艺方案，建成中国石化首个风光电兆瓦级质子交换膜制氢、储运及加注多系统集中装置。目前，该示范项目已平稳运行两个月。
中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目“落户”中原油田
2022年12月14日，中国石化首套自主研发的兆瓦级PEM（质子交换膜）电解水制氢装置在燕山石化成功开车，产出合格高纯度氢气。这标志着中国石化质子交换膜电解水制氢成套技术实现工业应用。
仅仅相隔11天，中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目在中原油田成功投产。项目投产后，将日产高纯度绿氢1.12吨，可加注60辆氢能公交车，预计年消耗可再生电力电量2520万千瓦时，相当于减排二氧化碳1.4万吨。
中原油田所在的河南濮阳市地处“2+26”城市范围内，环保形势严峻，亟待改善能源结构。加之，中原油田处于平原地区，太阳能、风能等可再生能源极为丰富，具备利用可再生能源发电，进而开发氢能的优势和潜力。
2020年秋，河南省与中国石化签订协议，以创建国家燃料电池汽车示范应用城市群为契机，推进加氢站布局与市场运营。得天独厚的优势，为中原油田争取中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目提供了条件。
中原油田确立“化石能源+绿色能源”双轮驱动发展新格局，在国家电网之外，优化升级原有电网，利用废弃厂房、井场，建设风力、光伏等发电新场景，为绿氢项目提供了充足的低成本清洁能源支撑。中原油田氢能源研究项目部经理王海宁说：“有了低用电成本的加持，中原油田生产的绿氢在价格上就更有优势。”
整套制氢设备最关键的PEM装置处于国际领先地位，生产的氢气纯度可达99.9995％
该项目坐落于中原油田油气加工技术服务中心西北角，占地近4.5万平方米。“仅项目中的可再生电力（光伏发电）设备占地就相当于5个足球场。”中原油田炼油工艺及技术专业专家周广文说。
厂区里设备林立、形状不一，有超滤装置、反渗透装置、PEM装置等。“制氢过程就是自来水进入除盐水单元，经过超滤、反渗透装置制得除盐水，除盐水作为原料进入PEM电解水制氢装置，经过去离子等系统后得到纯水，再进入PEM电解槽中，通过电解产出氢气和氧气。氢气进入纯化系统，得到压力为3兆帕的高纯氢，再经过压缩机升压至22兆帕送至加氢母站单元，通过加氢柱充装进氢气管束车。”王海宁介绍。
就像发动机是汽车的核心部件一样，PEM电解水制氢装置是该项目的核心设备。项目拥有我国最大的PEM电解水制氢装置。它利用纯水作为电解液，在电解过程中不添加任何化学药品，具有较高的电流密度和安全性。作为国内单套最大的PEM电解水制氢装置，其制氢效率更高。
然而PEM工艺的落地，却是一波三折。王海宁回忆，电解水制氢技术主要有碱性水制氢、PEM制氢。碱性水制氢技术成熟度高，但灵活性较差，必须有稳定电力供应系统；PEM制氢技术灵活性好，与可再生电力匹配度高，但国内尚无经验可循。在了解到PEM制氢技术生产负荷范围宽，对光、风等波动性较大的电力资源十分“友好”，能耗低，且生产过程非常“绿色”，更契合集团公司科技发展方向后，中原油田果断决定采用该技术。
PEM装置处于国际领先地位，采用集装箱式供货，各配套系统高度集成在两个标准集装箱内，有着较高的离子交换容量和良好的气体阻隔性，用作电解槽的隔膜材料可有效隔离氢气和氧气，使产生的氢气纯度更高，可达99.9995％，且没有腐蚀。
“示范”意味着中国石化PEM电解水制氢技术已完成国内产业化规模化应用
“中国石化兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目中的‘兆瓦级’表示规模，制氢装置功率为2.5兆瓦，通俗地讲，就是1小时需要消耗电2500千瓦时，生产500立方米氢气。”中原油田氢能源研究项目部副经理崔文鹏解释，“可再生电力即为光伏发电。中原油田秉承‘绿电制绿氢’思路，利用闲置场地及供配电系统，打造‘智能光伏+电站’，为兆瓦级可再生电力电解水制氢示范项目提供了电能。”
光伏发电工程分为3个发电方阵，采用组串式逆变、集中升压并网方案，3个方阵的光伏板发的电先自行升压，然后再汇集到一条输电线路，送至变电站，形成6千伏交流电，最终输送给制氢装置。
PEM电解槽的主要部件包括双极板、阴阳极端板、阴阳极气体扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜等。水进入电解槽后，在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。
王海宁进一步解释：“工作原理即为水通过阳极室循环，并在阳极发生电化学反应分解产生氧气、氢离子和电子，电子通过电路由阳极转移至阴极，氢离子通过水合氢离子形式穿过质子膜到达阴极室，在阴极室与电子发生电化学重组产生氢气。”
太阳能、风能等可再生能源具有间歇性、随机性等特点，发电时会给电网稳定性带来巨大压力，而PEM电解水制氢工艺能快速响应这种不稳定电源的波动并做出相应的功率调整，保证装置制氢的稳定，从而更加适合可再生电力的消纳，获得更好收益。
“‘示范’二字，实属不易。”周广文说，“国内PEM电解水制氢技术起步较晚，且规模不大。我们这套装置的规模是目前国内最大且已成功投入商业化运行的装置，树立了PEM电解水制氢技术的典范，项目建设、运行过程在行业内起到了示范作用，慕名前来参观学习的企业络绎不绝。”
“示范”意味着中国石化PEM电解水制氢技术已完成国内产业化规模化应用，首次完成了供电—制氢—压缩—充装多系统集成，中国石化新能源产业发展进入新阶段，填补了国内PEM技术空白。
探索并建立相关标准体系，建成中国石化在豫北地区的氢能供应“工厂”
厂区内，机器轰鸣，氢能生产有条不紊地进行着。
为了实现“绿电”制“绿氢”，该项目全过程不排放二氧化碳，配套建设了3.66兆瓦的光伏电站，以及9兆瓦风电工程。两个制氢配套工程年发电量约2500万千瓦时。
每日可生产1.12吨纯度为99.9995%的“绿氢”，采用的电解水制氢技术，是现阶段与风电、光电耦合度最好的技术路线之一。
“氢能源是趋势，也是未来。”看着一辆辆满载氢气的管束运输车驶出厂区，中原油田油气加工技术服务中心党委书记魏忠昕有感而发,“虽然氢能产业发展周期长、收益慢，但作为集团公司新能源业务的主要发展方向，逐步培育并壮大氢能产供销一体化，是责任，也是使命。”
项目实施后，将形成中国石化独有的风光电多能源制氢高效耦合稳控技术、绿氢制备关键技术，以及绿氢示范工程建设方案及运维技术等，为中国石化利用可再生能源开展绿氢生产提供可复制的技术和工程示范，为科研试验提供平台，形成中国石化自有的关键核心技术，推动中国石化乃至中国的绿氢制备产业发展。
魏忠昕表示：“下一步，中原油田将以该项目为起点，围绕氢气制取技术、氢气储运技术、氢能利用技术、储氢安全及氢能标准体系建设等领域开展研究，特别是在推进绿氢商业化生产及应用过程中，探索并建立相关标准体系。”
预计5年内，中原油田将建成年产能4500吨的中国石化豫北地区“绿氢”供应工厂，促进氢能产业化、规模化、效益化发展。