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关键的制氢技术

作者:刘克寒 来源:交能网 时间:2019-01-30 浏览:

有人将2018年定义为中国氢能发展的元年,在这一年,氢能一天比一天火热,从行业圈内默默的发展,渐渐走近大众的视野,被誉为21世纪最有前景的替代能源,各大企业也都扎堆进入氢能行业,氢能项目也火热得千金难求。如果不了解点氢能以及相关技术的知识,可能已经跟不上整个能源行业的发展,交能网借鉴各类文献,结合自身在德国亚琛工大的专业研究,希望从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状,希望读者对氢能产业有个初步的了解。

蒸汽甲烷重整制氢(SMR)

基于甲烷和水蒸气在高温下以及在催化剂条件下的反应,目前全世界大概48%的氢气是使用的蒸汽甲烷重整工艺(SMR)用天然气生产出来的。由于这一技术碳排放量很高,因此SMR正在积极的使用碳捕获及碳存储(CCS)技术来减少在生产氢气过程中的碳排放量。在未来,CCS技术可以帮助SMR减少80%的碳排放。

使用SMR技术时,氢气大规模生产的成本主要取决于天然气的价格。目前美国天然气的价格大约是每公斤0.9美元,欧洲时2.2美元每公斤,日本则是3.2美元每公斤。重整设备规模有大有小,特别小规模的重整设备,例如每小时5kg左右氢产量的设备,制氢成本非常高,远远高于同一产量的电解槽设备。(图一)

图一,目前不同制氢技术发展对比

当然,重整工艺不仅限于使用天然气,所有富含氢的气体都可以通过相应的重整工艺来生产氢气。通过气化,氢气也可以通过其他化石资源(例如煤炭)以及生物质或者有机废料来制得。

电解

电解时通过施加直流电将水分解成氢和氧的过程,将电能转化成了化学能。截至2014年,全球大约安装了8GW电解能力的电解氢设备(Decourt et al.)。

所有的电解设备都由电解槽堆组成,包括多达100个的电池和其他辅助设备(BOP)。电解槽可以使用相同的BOP基础设施进行并联安装,这使得它可以实现高度的模块化。

对于仅使用电功率(并且没有外部热量)作为输入能量的电解器,制氢效率随电池电压的升高而降低,而制氢速率随电池电压的升高而增加。因此,在给定的电池几何形状下,工厂必须折衷处理电解槽效率和制氢速率之间的关系。

不同类型的电解器的区别在于它们不同的电解质和电荷载体,可以分为如下几类:

1)碱性电解槽;

2)氢能质子交换膜(PEM)电解槽;

3)固体氧化物(SO)电解槽。

碱性电解槽是目前最成熟的技术,投资成本明显低于其他电解槽类型,但PEM和SO电解器在未来具有更高的成本降低的潜力,并且在SO电解槽的情况下,效率将会显著提高(图二)。 PEM电解槽特别有意义,因为它们具有最高的电流密度和操作范围,是降低投资成本和提高操作灵活性所必需的先决条件。截至今日,电池寿命是PEM和SO电解槽技术的最大限制因素。

电解氢的成本在很大程度上取决于电力成本以及电解槽的投资成本。为了最大限度的降低电力成本,很多电解氢的设备选择接入价格低廉的可再生能源电力,如光伏和风电,但是这些可再生能源发电不稳定,导致电解氢设备的使用率低下,从而又影响了自身的盈利能力。因此,在这些方面如何做折衷的考虑也是十分重要的。

图二,不同电解槽适用范围及发展潜力示图

关键字:制氢技术

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