可再生能源制氢技术,实践与应用

宋佳

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，而利用这种新的生产方法可以产生很高的能源效益。特别是在工业上的应用地位日益突出，由于氢能是一种洁净的绿色能源，能够改善生态环境，并且加快能源转型，因此本文展开了以下几个方面的分析。

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。【1】

（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）碱性水电解

电解装置主要有铁电极、金属电极等物质组成，电解质一般使用 NaOH、 KOH两种元素，电解时不需使用碱液  ，而碱性液体仅用于离子转换。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）固体聚合物水电解

固体聚合物水电解质属于一种新改良的技术，主要还是利用质子交换膜，通俗来讲就是 PEM电解，为了解决在碱性电解质电解槽中强碱液态电解质存在的弊端问题，采用质子交换膜取代了石棉膜，并将其两边的气体隔离开。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，比碱水槽高4倍，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，传统的电极材料都要用昂贵的铂金和昂贵的 PEM薄膜。

（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

生物质热裂解制氢技术是通过在一定的环境中，通过直接加热生物质，实现生物焦油和天然气的直接转化，是一种通过催化裂解碳氢化合物，获得富含氢气并将其分解的工艺。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。另外，利用生物发电和风光发电来进行制氢，例如利用太阳能发电，通过光合作用，让微生物生产氢气，主要能够利用光合微生物将水或生物质分解为氢气，例如可以从(C6H10O5)n 中提取氢气，目前这项技术仍处于研发阶段，没有完全成熟。

五、可再生能源制氢技术应用

（一）风电制氢项目

2010年末，江苏大丰完成了我国首个未并网的电解水制氢示范项目，本项目主要包括了风力发电机组和电网协调供电控制器以及风力控制装置、制氢装备等构成。分别使用了两个30千瓦、10千瓦的风机，对新型电解水制氢设备进行了同步的动力试验。这个项目的规模不大，生产的氢气量只有120立方米/天。中国能源环保联合公司在2014年的“863计划”的支持下，联手进行了“储存氢燃料电池柔性网络系统的研制与示范”项目，这个项目范工程的研发单位包括了国内著名的重工企业、科学研究所，浙大，同大和武汉理工大学等机构，这个工程主是将风力发电作为主要动力，生产出的氢被储存在氢钢瓶中。燃料电池再次利用氢为下游用户提供电能，这个技术工程为我国高效利用风资源提供了技术借鉴和工程示范。

（二）风光互补制氢项目

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.