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最新的绿色制氢技术综述

 更新时间:2024-01-19    点击量:435

绿色氢是利用太阳能和风能等可再生能源将水电解成氢和氧来生产的。水电解是利用电将水分解成氢和氧的电化学过程。这是一种可以生产绿氢的排放技术,绿氢是用可再生能源生产的氢。电解槽可以由可再生能源提供动力,如太阳能电池和风力发电机,以及工业过程中的废热,以环保的方式生产氢气。根据电解质、操作条件和离子剂 (,)的不同,已开发出四种水电解技术:分别是碱性、AEM、PEM和固体氧化物电解堆(SOEC)。这四种技术都是基于同样的原理,即用电将水分子分解成氢和氧。(ALK和PEM这里不做简介,仅简单介绍AEM和SOEC以及其他先进的电解技术)

对于SOEC:其中SOEC与PEM和碱性电解槽相比有几个优点,后者在较低的温度下工作。SOEC可以以更高的电化学反应速率和更低的电能需求生产氢气。SOEC可以将蒸汽和CO2分解成H2和CO。它们也可以在共电解模式下运行,将H2O和CO2的混合物转化为合成气。SOEC产生氢气的效率高于其他电解电池。SOEC在效率方面表现出色,是所有制氢技术中效率高的,效率可达90%,明显高于其他技术。尽管SOEC的启动时间较长,但材料成本较低,因为它们采用陶瓷作为电解质而不是氢氧交换膜电解槽。SOECs方法还具有TRL 6-7技术成熟度,表明它已准备好进行技术示范和商业化。与PEM和碱性电解技术的10年和20年相比,SOEC的使用寿命相对较短,不到2到3年,这阻碍了SOEC的商业化。这一障碍也是正在进行的研发工作的主要焦点。固体氧化物电解的高温操作可以与工业工艺相结合,利用废热,提高整体效率。下表1是关于SOEC的相关优缺点。


表1:SOEC的优缺点


另,对于AEMs来说:AEMS固体电解质是一种高性能、工业上可行的能源设备。AEMs的TRL正处于技术可行性的示范和商业化阶段。AEM&PEM电解可以生产适用于燃料电池应用的高纯度氢气,例如运输和固定发电。这些类型的电解槽具有比传统碱性电解槽更高效和更具成本效益的潜力。AEM&PEM电解比碱性电解提供更高的效率和更快的响应时间,使其适用于快速响应和效率至关重要的应用。PEM电解槽非常适合生产用于电网平衡应用的氢气。下表2是AEMs的一些优缺点。


表2:AEM的优缺点


除这些被大众熟知的制氢技术之外还有其他一些偏小众或者初级阶段的绿色制氢技术,如:

1、DAE(Direct air electrolysis)直接空气电解

DAE设备可以在类似于沙漠的低湿度条件下运行。DAE是一种直接从空气中产生H2的过程。DAE仍在开发中,但它有潜力成为一种非常高效、低成本的制氢方法。DAE通过利用大气中的二氧化碳进行燃料生产,抵消排放,帮助实现碳中和。下图1是基本的示意图,表3是一些优缺点。



图1说明:用于制氢的直接空气电解(DAE)概念。a) DAE 模块的示意图,该模块带有一个由多孔介质和吸湿离子溶液浸泡而成的集水单元。b) 吸湿溶液在不同 R.H. 条件下的平衡吸水率。


表3:DAE的优缺点
2、生物光伏(BPV)/生物光电电解电池(BPE)/微生物电解电池(MEC)


微生物生物电化学系统(BESs)可以产生电能或其他增值产品,如氢气。BESs利用微生物在阳极和阴极催化电化学反应。MEC是一种可以从各种有机底物中产生H2的BES。MECs通常使用附着在阳极上的异养细菌氧化有机物并产生电子和质子。电子被转移到阴极,将质子还原成H2MECs是一种生物电化学系统,可用于从废水和其他有机物中产生氢气。MEC目前仍在开发中。这些可以应用于废水处理设施和食品加工厂,同时处理有机废物并产生氢气。MEC提供了一条从废物流中生产氢气的潜在途径,减少了浪费并提供了清洁能源。BPV的研究尚处于早期阶段,缺乏生物质产生、生长技术和系统配置的标准化,使得研究之间的比较具有挑战性。提高功率输出可能受益于了解微生物和有针对性的优化。潜在的未来方法可能涉及利用合成生物学来提高电子转移效率,可能通过引入替代电子转移途径。以上讨论的所有过程都与各种形式的电解或重整过程有关,这些过程有可能在减少排放和提高特定部门的能源效率方面发挥重要作用。下图2是MEC的简单原理示意图,下表4是该类制氢方式的优缺点。


图2:MEC示意图



表4:BPV/MEC优缺点
3、电蒸汽甲烷重整(ESMR)


ESMR也是一种很有前途的技术,可以潜在地减少与氢气生产相关的温室气体排放。然而,由于该方法使用甲烷,生产过程中的任何泄漏都可能导致大量温室气体排放,从而抵消了该技术的好处。此外,ESMR需要大量的能量来产生高温和高压,这可能是昂贵和能源密集型的。氢氧交换膜制氢技术由于其高效、低成本、可扩展性和安全性等优点,也有可能成为一种有前途的制氢技术。然而,要提高其耐用性、性能和商业可行性,还需要克服一些挑战。ESMR是一种利用电力而不是天然气作为热源从甲烷中产生氢气的过程。ESMR比传统SMR效率更高,污染更少。ESMR非常适合具有可靠低成本电力来源的应用,例如可再生能源。SMR可以与碳捕获技术相结合,通过捕获和利用重整过程中产生的二氧化碳来减少温室气体排放。下图3是ESMR(SMR)示意图,下表5是其优缺点。


图3:SMR和ESMR示意图对比
说明:(A) 传统的燃烧反应器。(B) 电阻加热反应器。图中显示了热源、反应器壁(灰色)和催化剂材料(绿色)的径向长度尺度和温度分布特征。在 (B) 中,热源和反应器壁为一体。
表5:ESMR(SMR)优缺点
4、Hydroxide exchange membrane water electrolysers (氢氧化物交换膜水电解槽)


氢氧交换膜水电解槽(HEMWE)是以氢化学能形式存储间歇性可再生能源的一种很有前途的方法。气体发生电极中的氢氧化物交换离子膜(HEI)和氢氧化物交换膜(HEM)是 HEMWE 的关键组成部分。下图4是示意图,下表6是优缺点。


图4:HEM示意图


图例说明:HEMWE的示意图。它由阳极多孔传输层(aPTL)、阳极催化剂层(aCL)、氢氧化物交换膜(HEM)、阴极催化剂层(cCL)、阴极多孔传输层(cPTL)和双极板(BPP)组成。析氧发生在阳极,析氢发生在阴极。氢氧化物离子从阴极传输到阳极,水从液态水阳极通过HEM传输到干燥阴极


表6:HEM优缺点
5、Membrane-less electrolysers (无膜电解)


无膜电解槽利用流体力而不是固体屏障来分离电解气体产物。这种电解槽的离子阻力小,设计简单,能够与不同 pH 值的电解质一起工作。下图5是示意图,下表7是优缺点。


图5:无膜电解示意图


图例说明:无膜电解槽几何示意图:(a)平行电极电解槽,(b)网状电极电解槽,(c)多孔壁电解槽


表7:无膜电解优缺点
6、Redox decoupling(氧化还原解耦法)


氧化还原解耦法主要包括两个步骤:(i)氧气生成:析氧反应(OER);(ii)氢气生成:析氢反应(HER)。这两个过程分开的,理论上没有气体混合和交叉的问题。所以可以产生高纯度的氢。下图6是示意图,下表8是优缺点。


图6:解耦法示意图
表8:解耦法优缺点
总的来说,这些技术具有显著减少排放和提高各个能源效率的潜力。随着这些技术的不断发展和成本效益的提高,它们有望在向清洁能源的未来过渡中发挥重要作用。


文章来源:氢眼所见

注:已获得转载权



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