最新的綠色制氫技術綜述

綠色氫是利用太陽能和風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過程。這是一種可以生產(chǎn)綠氫的排放技術，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力，如太陽能電池和風力發(fā)電機，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：分別是堿性、AEM、PEM和固體氧化物電解堆（SOEC）。這四種技術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這里不做簡介，僅簡單介紹AEM和SOEC以及其他先進的電解技術）

對于SOEC：其中SOEC與PEM和堿性電解槽相比有幾個優(yōu)點，后者在較低的溫度下工作。SOEC可以以更高的電化學反應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，是所有制氫技術中效率高的，效率可達90%，明顯高于其他技術。盡管SOEC的啟動時間較長，但材料成本較低，因為它們采用陶瓷作為電解質(zhì)而不是氫氧交換膜電解槽。SOECs方法還具有TRL 6-7技術成熟度，表明它已準備好進行技術示范和商業(yè)化。與PEM和堿性電解技術的10年和20年相比，SOEC的使用壽命相對較短，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行的研發(fā)工作的主要焦點。固體氧化物電解的高溫操作可以與工業(yè)工藝相結合，利用廢熱，提高整體效率。下表1是關于SOEC的相關優(yōu)缺點。

另，對于AEMs來說：AEMS固體電解質(zhì)是一種高性能、工業(yè)上可行的能源設備。AEMs的TRL正處于技術可行性的示范和商業(yè)化階段。AEM&PEM電解可以生產(chǎn)適用于燃料電池應用的高純度氫氣，例如運輸和固定發(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時間，使其適用于快速響應和效率至關重要的應用。PEM電解槽非常適合生產(chǎn)用于電網(wǎng)平衡應用的氫氣。下表2是AEMs的一些優(yōu)缺點。

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

1、DAE（Direct air electrolysis）直接空氣電解

DAE設備可以在類似于沙漠的低濕度條件下運行。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行燃料生產(chǎn)，抵消排放，幫助實現(xiàn)碳中和。下圖1是基本的示意圖，表3是一些優(yōu)缺點。

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。

微生物生物電化學系統(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反應。MEC是一種可以從各種有機底物中產(chǎn)生H2的BES。MECs通常使用附著在陽極上的異養(yǎng)細菌氧化有機物并產(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是一種生物電化學系統(tǒng)，可用于從廢水和其他有機物中產(chǎn)生氫氣。MEC目前仍在開發(fā)中。這些可以應用于廢水處理設施和食品加工廠，同時處理有機廢物并產(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、生長技術和系統(tǒng)配置的標準化，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性的優(yōu)化。潛在的未來方法可能涉及利用合成生物學來提高電子轉(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，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的簡單原理示意圖，下表4是該類制氫方式的優(yōu)缺點。

ESMR也是一種很有前途的技術，可以潛在地減少與氫氣生產(chǎn)相關的溫室氣體排放。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致大量溫室氣體排放，從而抵消了該技術的好處。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由于其高效、低成本、可擴展性和安全性等優(yōu)點，也有可能成為一種有前途的制氫技術。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用，例如可再生能源。SMR可以與碳捕獲技術相結合，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。

氫氧交換膜水電解槽（HEMWE）是以氫化學能形式存儲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 的關鍵組成部分。下圖4是示意圖，下表6是優(yōu)缺點。

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

無膜電解槽利用流體力而不是固體屏障來分離電解氣體產(chǎn)物。這種電解槽的離子阻力小，設計簡單，能夠與不同 pH 值的電解質(zhì)一起工作。下圖5是示意圖，下表7是優(yōu)缺點。

圖例說明：無膜電解槽幾何示意圖：（a）平行電極電解槽，（b）網(wǎng)狀電極電解槽，（c）多孔壁電解槽

氧化還原解耦法主要包括兩個步驟：(i)氧氣生成：析氧反應(OER)；(ii)氫氣生成:析氫反應(HER)。這兩個過程分開的，理論上沒有氣體混合和交叉的問題。所以可以產(chǎn)生高純度的氫。下圖6是示意圖，下表8是優(yōu)缺點。

文章來源：氫眼所見

注：已獲得轉(zhuǎn)載權