可再生能源制氢技术,实践与应用

可再生能源制氢技术,实践与应用

乔梁

大安吉电绿氢能源有限公司 吉林  白城 137000

摘要：随着科技的发展，氢在工业生产中的地位越来越重要，人们对氢的需求也越来越大，对纯度的要求也越来越高，氢气作为最具潜力的替代矿物燃料，在今后的发展中将占据重要地位。常规的氢气生产工艺既要消耗一次能源又要生产原材料，而利用可再生能源制氢的生产方法可以产生很高的能源效益。

关键词:可再生能源；制氢技术；实践

引言：氢是二十一世纪最有发展空间的能源之一，可以帮助改善气候变暖问题、温室效应问题以及大气污染问题，当前，我国的氢能行业已经从传统的工业原材料转变为循环利用的可持续发展模式。而推广和有效利用氢气必须先从氢能源入手，已经有专业领域开始在已有技术的基础上进行源头探索，旨在生产和开发更加经济适用的制氢新技术。

一、传统制氢技术

（一）一次能源制氢

一次能源制氢的基本原则是将原材料和水蒸汽或氧在特定的温度下转化成反应气体，再经过变换、分离和提纯，得到对应的纯氢。当前，我国主要的生产形式是一次能源的生产。

（二）化工副产氢气回收

许多化学过程中，氢并非主要产物，一般常见的氢气多数为附属产品，回收氢气以后可以进行再次循环利用。该技术的应用范围包括烧碱、焦炭和氰化钠的生产。每次生产2吨的氰化钠会产生1400Nm3的氢气，其中H2含量在81%-91%之间；焦炉煤气中的H2含量在62.3.%~72.3%之间，在2吨的焦炭中，可以得到840Nm3的辅助气体。

（三）含氢物质制氢

氢气中包括了水、甲醇、硼氢化钠、氨等成分。在八百摄氏度的温度下，气态氨被催化成氢、氮，再通过气相分离，获得了高纯度的氢。硼氢化钠是一种以常规方法制备高纯度氢气的工艺。硼氢化钠是一种很好的还原剂，可以通过在强的碱水中和催化剂的催化下进行水解而得到亚硼酸盐和氢。在此基础上，将甲醇与水蒸汽充分搅拌，再经加压、加温等工艺，使其在催化、转换中得到氢气。

二、风光电解制氢技术

（一）碱液电解制氢（ALK)

电解水制氢是氢燃料电池反应的逆过程，即通过水电解在阴极上产生H2、在阳极上产生O2。碱液电解制氢（ALK)是采用30%KOH水溶液作为电解液，将水电解为氢气和氧气的过程，碱液电解水技术是最成熟，也是目前应用最广泛的电解水制氢技术。碱性电解水工作电流密度约为0.4A/cm2，能源效率通常在70%左右，其设备运行寿命可达20年以上。碱性电解槽以含液态电解质和多孔隔板为结构特征，操作范围从最小负荷20%到最大设计容量110%。与其他电解槽技术相比，碱性电解水避免了因使用贵金属材料而带来的成本负担。该方法操作简单，成本低，其缺点是电解效率较低，碱性溶液具有一定的腐蚀性。

（二）质子交换膜（PEM）电解制氢

质子交换膜（PEM）制氢属于一种新改良的技术，把质子交换膜放在水中，起到隔离气体与离子传导的作用。并且，在PEM水电解池中，采用了零缝隙结构，减小了电池的电阻，并显著改善了电池的整体性能。工作电流密度一般在1 A/cm2以上，PEM电解系统可以以最低功率保持待机模式，并能在短时间内达到额定负荷的容量下运行。PEM电解装置可以在更高的压力（4.0MPaG)下运行生产氢气，能更好地适应下游高压氢气需求。同时PEM制氢设备结构相对简单，应用条件灵活，特别适用于小型氢能项目。PEM电解制氢技术环保、节能、高效，可以快速调整装置负荷，装置开停速度快，效率高，气体纯度高，绿色环保，能耗低，无碱液，体积小，安全可靠，产气压力高等特点。它的不足之处在于，PEM电解槽的投资成本（以每千瓦计）虽已大幅下降，但目前仍远高于ALK电解装置。并且，受限于质子膜的容量，PEM单个电解槽模块的出力无法与ALK电解装置规模相比，对于大型可再生能源氢能项目，必须考虑数个或数十个电解槽整合成一组，方可扩大生产规模。

（三）固体氧化物水电解

以固态氧化物为电解质，一般在七百至一千摄氏度的温度范围内，以固态氧化物为主要的电解质。在此情况下，水变成了高温蒸气，可以通过加热来补充电解液中的热量，从而达到电氢转化的目的，从而提高了能源的转化效率。

三、新型光制氢技术

（一）光热制氢

太阳能热分解水是一种利用太阳能集热器直接将水加热至二百五十摄氏度，然后将其分解成氢气、氧气。太阳能热分解水制氢工艺中存在的主要问题是材料问题以及高温条件下氢气、氧气的高效分离。随着聚光技术和膜科技的发展，太阳能光热分解制氢技术迅速发展。高温对工程材料的要求非常高，目前仍然有学者针对此项技术进行研究。

（二）光热化学制氢

在光热化学法中，利用六百至九百摄氏度的高温条件下，对含碘的浓硫酸、碘化氢进行了处理，需要发展新型的设备，发展新型的制氢技术，如制氢、分离催化剂、分离膜，但是光热化学制氢还需要一段时间的分析和研究才能实现。

（三）光电化学制氢

光电化学制氢工艺有别于风光发电电解技术，其中的环节不同，主要是利用光电化学能将水分子转化为H2、O2，在电解质条件下，利用光阳极吸收周围的太阳光，使其在半导体上形成一个电子，通过外部通路的方式把电子传送到阴极，水蒸气中的质子可以吸收来自于阴极的电子所生成的氢气。

【2】利用这种方法，太阳能光解水制取氢气的效率能够超出23.5%。

四、生物制氢技术

（一）生物质热裂解气化制氢

与热裂解相比，生物制气制氢的区别在于它无需隔离大气和氧气。气化制氢气需要使用气化剂，如空气、氧气和水蒸气等。生物质裂解反应中存在着焦油的问题，焦油对管线有腐蚀和堵塞的影响，而且会对周围环境产生污染。热解气中含有氮气、氦气等化学元素，适合直接用作低热值的燃料。利用混合热解气体进行氢气分离工艺增加额外消耗量，缺乏经济适用性。

（二）生物质暗发酵法制氢

生物发酵法是一种利用微生物在阴暗条件下进行生物转化生产氢气的工艺。目前，采用暗发酵生产氢气的方法，存在着对混合发酵底物的利用率不高的问题，目前，国内外关于利用暗发酵生产氢气的研究还处于实验室研究阶段。

（三）生物质超临界水制氢

超临界水制氢是将生物质与水在超临界状态的相互反应，从而产生H2和C。接着分离气体获得氢气的一种工艺，超临界水制氢技术正中还存在着一些问题，其中的盐份、金属氧化物的沉淀导致了大量的堵塞问题和侵蚀问题。现阶段，超临界水的生物质生产技术仍有需索进步和发展的空间。

五、可再生能源制氢技术应用

大连早在16年的下半年就建成了第一个70 MPa的加氢站（名为同济-新源），采用了风光互补发电制氢技术。【3】《基于可再生能源制/储氢的70 MPa加氢站研发与示范》是在“十二五”建设期间多所研究单位共同开发的项目，由同济大学牵头，依照国家科技部863计划部署，将可再生能源的原位制氢技术、90 MPa的氢气压缩与存储技术、70 MPa的充氢工艺、70 MPa的一体化技术。

总结：随着科学技术的进步，氢气的重要性已经逐渐凸显，并且高纯度的氢气能够应用于各个领域之中。氢气是一种节能、环保的清洁能源，在未来有广阔的发展空间。因此，还需加大对于制氢技术的研究和探索，才能确保我国能源产业的可持续发展。

参考文献：

[1]李建林,李光辉,马速良,王含. 碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述[J]. 热力发电,2021,50(06):1-8.

[2]郭博文,罗聃,周红军. 可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展[J]. 化工进展,2021,40(06):2933-2951.

[3]李建林,李光辉,梁丹曦,马速良. “双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望[J]. 分布式能源,2021,6(05):1-9.