最新的綠色制氫技術(shù)綜述

　更新時(shí)間：2024-01-19 點(diǎn)擊量：1424

綠色氫是利用太陽能和風(fēng)能等可再生能源將水電解成氫和氧來生產(chǎn)的。水電解是利用電將水分解成氫和氧的電化學(xué)過程。這是一種可以生產(chǎn)綠氫的排放技術(shù)，綠氫是用可再生能源生產(chǎn)的氫。電解槽可以由可再生能源提供動(dòng)力，如太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以及工業(yè)過程中的廢熱，以環(huán)保的方式生產(chǎn)氫氣。根據(jù)電解質(zhì)、操作條件和離子劑 (,，)的不同，已開發(fā)出四種水電解技術(shù)：分別是堿性、AEM、PEM和固體氧化物電解堆（SOEC）。這四種技術(shù)都是基于同樣的原理，即用電將水分子分解成氫和氧。（ALK和PEM這里不做簡(jiǎn)介，僅簡(jiǎn)單介紹AEM和SOEC以及其他先進(jìn)的電解技術(shù)）

對(duì)于SOEC：其中SOEC與PEM和堿性電解槽相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，后者在較低的溫度下工作。SOEC可以以更高的電化學(xué)反應(yīng)速率和更低的電能需求生產(chǎn)氫氣。SOEC可以將蒸汽和CO2分解成H2和CO。它們也可以在共電解模式下運(yùn)行，將H2O和CO2的混合物轉(zhuǎn)化為合成氣。SOEC產(chǎn)生氫氣的效率高于其他電解電池。SOEC在效率方面表現(xiàn)出色，是所有制氫技術(shù)中效率高的，效率可達(dá)90%，明顯高于其他技術(shù)。盡管SOEC的啟動(dòng)時(shí)間較長，但材料成本較低，因?yàn)樗鼈儾捎锰沾勺鳛殡娊赓|(zhì)而不是氫氧交換膜電解槽。SOECs方法還具有TRL 6-7技術(shù)成熟度，表明它已準(zhǔn)備好進(jìn)行技術(shù)示范和商業(yè)化。與PEM和堿性電解技術(shù)的10年和20年相比，SOEC的使用壽命相對(duì)較短，不到2到3年，這阻礙了SOEC的商業(yè)化。這一障礙也是正在進(jìn)行的研發(fā)工作的主要焦點(diǎn)。固體氧化物電解的高溫操作可以與工業(yè)工藝相結(jié)合，利用廢熱，提高整體效率。下表1是關(guān)于SOEC的相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)。

表1：SOEC的優(yōu)缺點(diǎn)

另，對(duì)于AEMs來說：AEMS固體電解質(zhì)是一種高性能、工業(yè)上可行的能源設(shè)備。AEMs的TRL正處于技術(shù)可行性的示范和商業(yè)化階段。AEM&PEM電解可以生產(chǎn)適用于燃料電池應(yīng)用的高純度氫氣，例如運(yùn)輸和固定發(fā)電。這些類型的電解槽具有比傳統(tǒng)堿性電解槽更高效和更具成本效益的潛力。AEM&PEM電解比堿性電解提供更高的效率和更快的響應(yīng)時(shí)間，使其適用于快速響應(yīng)和效率至關(guān)重要的應(yīng)用。PEM電解槽非常適合生產(chǎn)用于電網(wǎng)平衡應(yīng)用的氫氣。下表2是AEMs的一些優(yōu)缺點(diǎn)。

表2：AEM的優(yōu)缺點(diǎn)

除這些被大眾熟知的制氫技術(shù)之外還有其他一些偏小眾或者初級(jí)階段的綠色制氫技術(shù)，如：

1、DAE（Direct air electrolysis）直接空氣電解

DAE設(shè)備可以在類似于沙漠的低濕度條件下運(yùn)行。DAE是一種直接從空氣中產(chǎn)生H2的過程。DAE仍在開發(fā)中，但它有潛力成為一種非常高效、低成本的制氫方法。DAE通過利用大氣中的二氧化碳進(jìn)行燃料生產(chǎn)，抵消排放，幫助實(shí)現(xiàn)碳中和。下圖1是基本的示意圖，表3是一些優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1說明：用于制氫的直接空氣電解（DAE）概念。a) DAE 模塊的示意圖，該模塊帶有一個(gè)由多孔介質(zhì)和吸濕離子溶液浸泡而成的集水單元。b) 吸濕溶液在不同 R.H. 條件下的平衡吸水率。

表3：DAE的優(yōu)缺點(diǎn)

2、生物光伏(BPV)/生物光電電解電池(BPE)/微生物電解電池(MEC)

微生物生物電化學(xué)系統(tǒng)(BESs)可以產(chǎn)生電能或其他增值產(chǎn)品，如氫氣。BESs利用微生物在陽極和陰極催化電化學(xué)反應(yīng)。MEC是一種可以從各種有機(jī)底物中產(chǎn)生H2的BES。MECs通常使用附著在陽極上的異養(yǎng)細(xì)菌氧化有機(jī)物并產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子被轉(zhuǎn)移到陰極，將質(zhì)子還原成H2。MECs是一種生物電化學(xué)系統(tǒng)，可用于從廢水和其他有機(jī)物中產(chǎn)生氫氣。MEC目前仍在開發(fā)中。這些可以應(yīng)用于廢水處理設(shè)施和食品加工廠，同時(shí)處理有機(jī)廢物并產(chǎn)生氫氣。MEC提供了一條從廢物流中生產(chǎn)氫氣的潛在途徑，減少了浪費(fèi)并提供了清潔能源。BPV的研究尚處于早期階段，缺乏生物質(zhì)產(chǎn)生、生長技術(shù)和系統(tǒng)配置的標(biāo)準(zhǔn)化，使得研究之間的比較具有挑戰(zhàn)性。提高功率輸出可能受益于了解微生物和有針對(duì)性的優(yōu)化。潛在的未來方法可能涉及利用合成生物學(xué)來提高電子轉(zhuǎn)移效率，可能通過引入替代電子轉(zhuǎn)移途徑。以上討論的所有過程都與各種形式的電解或重整過程有關(guān)，這些過程有可能在減少排放和提高特定部門的能源效率方面發(fā)揮重要作用。下圖2是MEC的簡(jiǎn)單原理示意圖，下表4是該類制氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2：MEC示意圖

表4：BPV/MEC優(yōu)缺點(diǎn)

3、電蒸汽甲烷重整(ESMR)

ESMR也是一種很有前途的技術(shù)，可以潛在地減少與氫氣生產(chǎn)相關(guān)的溫室氣體排放。然而，由于該方法使用甲烷，生產(chǎn)過程中的任何泄漏都可能導(dǎo)致大量溫室氣體排放，從而抵消了該技術(shù)的好處。此外，ESMR需要大量的能量來產(chǎn)生高溫和高壓，這可能是昂貴和能源密集型的。氫氧交換膜制氫技術(shù)由于其高效、低成本、可擴(kuò)展性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，也有可能成為一種有前途的制氫技術(shù)。然而，要提高其耐用性、性能和商業(yè)可行性，還需要克服一些挑戰(zhàn)。ESMR是一種利用電力而不是天然氣作為熱源從甲烷中產(chǎn)生氫氣的過程。ESMR比傳統(tǒng)SMR效率更高，污染更少。ESMR非常適合具有可靠低成本電力來源的應(yīng)用，例如可再生能源。SMR可以與碳捕獲技術(shù)相結(jié)合，通過捕獲和利用重整過程中產(chǎn)生的二氧化碳來減少溫室氣體排放。下圖3是ESMR（SMR）示意圖，下表5是其優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3：SMR和ESMR示意圖對(duì)比

說明：(A) 傳統(tǒng)的燃燒反應(yīng)器。(B) 電阻加熱反應(yīng)器。圖中顯示了熱源、反應(yīng)器壁（灰色）和催化劑材料（綠色）的徑向長度尺度和溫度分布特征。在 (B) 中，熱源和反應(yīng)器壁為一體。

表5：ESMR（SMR）優(yōu)缺點(diǎn)

4、Hydroxide exchange membrane water electrolysers （氫氧化物交換膜水電解槽）

氫氧交換膜水電解槽（HEMWE）是以氫化學(xué)能形式存儲(chǔ)間歇性可再生能源的一種很有前途的方法。氣體發(fā)生電極中的氫氧化物交換離子膜（HEI）和氫氧化物交換膜（HEM）是 HEMWE 的關(guān)鍵組成部分。下圖4是示意圖，下表6是優(yōu)缺點(diǎn)。

圖4：HEM示意圖

圖例說明：HEMWE的示意圖。它由陽極多孔傳輸層(aPTL)、陽極催化劑層(aCL)、氫氧化物交換膜(HEM)、陰極催化劑層(cCL)、陰極多孔傳輸層(cPTL)和雙極板(BPP)組成。析氧發(fā)生在陽極，析氫發(fā)生在陰極。氫氧化物離子從陰極傳輸?shù)疥枠O，水從液態(tài)水陽極通過HEM傳輸?shù)礁稍镪帢O