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比較氫能及燃料電池關鍵的制氫技術

鉅大LARGE  |  點擊量:715次  |  2019年03月14日  

有人將2018年定義為中國氫能發展的元年,在這一年,氫能一天比一天火熱,從行業圈內默默的發展,漸漸走近大眾的視野,被譽為21世紀最有前景的替代能源,各大企業也都扎堆進入氫能行業,氫能項目也火熱得千金難求。如果不了解點氫能以及相關技術的知識,可能已經跟不上整個能源行業的發展,交能網借鑒各類文獻,結合自身在德國亞琛工大的專業研究,希望從各個環節分別介紹氫能及其相關技術、應用及其發展現狀,希望讀者對氫能產業有個初步的了解。

蒸汽甲烷重整制氫(SMR)

基于甲烷和水蒸氣在高溫下以及在催化劑條件下的反應,目前全世界大概48%的氫氣是使用的蒸汽甲烷重整工藝(SMR)用天然氣生產出來的。由于這一技術碳排放量很高,因此SMR正在積極的使用碳捕獲及碳存儲(CCS)技術來減少在生產氫氣過程中的碳排放量。在未來,CCS技術可以幫助SMR減少80%的碳排放。

使用SMR技術時,氫氣大規模生產的成本主要取決于天然氣的價格。目前美國天然氣的價格大約是每公斤0.9美元,歐洲時2.2美元每公斤,日本則是3.2美元每公斤。重整設備規模有大有小,特別小規模的重整設備,例如每小時5kg左右氫產量的設備,制氫成本非常高,遠遠高于同一產量的電解槽設備。(圖一)

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圖一,目前不同制氫技術發展對比

當然,重整工藝不僅限于使用天然氣,所有富含氫的氣體都可以通過相應的重整工藝來生產氫氣。通過氣化,氫氣也可以通過其他化石資源(例如煤炭)以及生物質或者有機廢料來制得。

電解

電解時通過施加直流電將水分解成氫和氧的過程,將電能轉化成了化學能。截至2014年,全球大約安裝了8GW電解能力的電解氫設備(Decourtetal.)。

所有的電解設備都由電解槽堆組成,包括多達100個的電池和其他輔助設備(BOP)。電解槽可以使用相同的BOP基礎設施進行并聯安裝,這使得它可以實現高度的模塊化。

對于僅使用電功率(并且沒有外部熱量)作為輸入能量的電解器,制氫效率隨電池電壓的升高而降低,而制氫速率隨電池電壓的升高而增加。因此,在給定的電池幾何形狀下,工廠必須折衷處理電解槽效率和制氫速率之間的關系。

不同類型的電解器的區別在于它們不同的電解質和電荷載體,可以分為如下幾類:

1)堿性電解槽;

2)氫能質子交換膜(PEM)電解槽;

3)固體氧化物(SO)電解槽。

堿性電解槽是目前最成熟的技術,投資成本明顯低于其他電解槽類型,但PEM和SO電解器在未來具有更高的成本降低的潛力,并且在SO電解槽的情況下,效率將會顯著提高(圖二)。PEM電解槽特別有意義,因為它們具有最高的電流密度和操作范圍,是降低投資成本和提高操作靈活性所必需的先決條件。截至今日,電池壽命是PEM和SO電解槽技術的最大限制因素。

電解氫的成本在很大程度上取決于電力成本以及電解槽的投資成本。為了最大限度的降低電力成本,很多電解氫的設備選擇接入價格低廉的可再生能源電力,如光伏和風電,但是這些可再生能源發電不穩定,導致電解氫設備的使用率低下,從而又影響了自身的盈利能力。因此,在這些方面如何做折衷的考慮也是十分重要的。

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圖二,不同電解槽適用范圍及發展潛力示圖

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