站内搜索
水电解制氢的“正确打开方式”
发布于:2018-1-3 8:33:49    文字:【】【】【

水电解制氢的“正确打开方式”

 

     随着社会的发展,科技的进步,人民生活水平的显著提高。在享受高科技带来便利的同时,人们也逐渐意识到由于温室气体的大量排放从而引发的环境问题日益严重。1987年,美国学者首先提出了可持续发展的战略理论。所谓的可持续发展是一种经济增长模式,意在在不牺牲后代的生活质量与经济发展能力的前提下,合理地满足现代人的需求。在当今社会,随着可持续发展概念的不断深入,氢能源,作为首选的清洁能源逐渐进入了人们的视野。接下来,本文将着重介绍氢气作为新能源载体的相关知识以及水电解制氢的“正确打开方式”。

     首先,我们来看看人类历史上能量来源的演变过程(图1)。能量来源从最初的柴薪,经过煤炭,石油,再到天然气,不难看出其演变过程就是一个减碳增氢的过程:柴薪中碳原子数量与氢原子数量的比例是91;煤炭中碳氢原子数量比是(1-2:1;石油中碳氢原子数量比是1:2;而到了天然气,其碳氢原子数量比已经变为1:4。众所周知,碳原子燃烧后会生成温室气体如一氧化碳和二氧化碳,而氢原子燃烧后则只产生水蒸气。这种能量来源的演变实际上也是一种追求更“清洁”能源的过程。所以,未来的主要能源一定是碳氢数量比更低甚至完全没有碳原子的能量源。

 


1 能量来源的演变过程

      在图1里,能量来源演变的箭头并没有衍生到氢气而且氢气用引号标明,其中有两个原因:其一是天然气之后还有核能以及未来可能的低碳氢比能量源;其二是因为氢气本质上不能算是能量源,它不像它的“前辈”们本身存在于大自然中。氢原子虽然是宇宙中存在最广泛的原子之一,但是地球上并不存在原生的氢分子物质,氢气必须靠外界的能量来合成。所以氢能源不能算是能量来源,而是一种能量载体。

     氢原子作为最轻的元素,它广泛存在于地球乃至宇宙之中。作为能量载体,按质量来算,氢气相较于其他任何燃料都拥有最高的能量密度。在使用氢气作为燃料的过程中,将不会有任何的污染排放,其唯一的反应产物为水。目前制氢技术主要集中于矿物燃料制氢和水电解制氢两大类。也有其他的制氢方式,比如热化学循环制氢和生物制氢。矿物燃料制氢是目前最常用的制氢方式。然而,由于矿物燃料制氢需使用化石燃料作为原料,其制氢过程不可避免的对环境有负面影响,而且所制备的氢气需要后期繁琐的工序进行过滤和分离,即便是这样,所制氢气的纯度也不一定能达到后期用氢设备的要求。再者,矿物燃料制氢通常用于大型生产项目,在未来高效经济的微电网架构中无法完全发挥其作用。

     电解技术最初在十八世纪由英国化学家Humphry Davy 应用,他用一个叫做Voltaic pile的原始电池通过电解的方式发现了一系列的化学元素,其中包括钠和钾。几个星期后,William Nicholson Anthony Carlisle用同样的原始电池进行了电解水的实验。到了1869年,Zenobe Gramme发明了直流发电机才真正让水电解技术成为一种在经济上可行的制氢方法。又过了20年,在1889年,Dmitry Lachinov完善了工业级通过电解技术来生成氢气跟氧气的方法,从此水电解工业逐渐壮大成熟起来。

     水电解制氢是通过电解水而获得高纯度的氢气,其设备结构逐渐成熟并且相对简洁,便于应用。图2展示了水电解器的工作原理:一个阳极电极,一个阴极电极,以及中间的电解质结构。当阳极电极与阴极电极通过外界电源接通,水在催化剂的作用下分解成为游离状态的带正电的质子与带负电的氧原子。质子通过电解质结构中的质子交换膜到达阴极,并与通过外部电路到达的电子结合成为氢气;而带负电的氧原子由于无法穿过质子交换膜,通过在阳极发生氧化反应生成氧气。


2 水电解工作原理

      然而,水电解制氢的能量转化率相较于矿物燃料制氢偏低,美国国家可再生能源实验室(NREL)研究得出要制备能提供1kWh的氢气至少需要1.4kWh的外部电力,如果再考虑其他的因素,其总生产转化效率会更低。水电解制氢的这个不足直接导致其在制氢市场所占份额很小。那么水电解制氢的“正确打开方式”到底是什么呢?

     答案是可再生(可持续化)能源,例如风电,太阳能等。在大多数情况下,水电解制氢如果从电网获取电力制备成氢气再转化为电力以供使用无疑是一种不经济的行为。但是氢气作为能量载体,用来收集本就因为无法被合理利用而浪费的电力呢?将国家大力提倡的解决弃水弃风弃光问题与水电解制氢相结合,这无疑是一个不错的选择。由于可再生能源的输入不稳定性,很难将其并入电网供大家使用,因此他们被称为“垃圾电”。现在,通过水电解制氢的方法将弃风弃水弃光的电力储存为氢气,一方面可用于化工产业的原料,另一方面也可作为电池汽车或者电源的燃料。在欧洲,氢气已经开始被掺入到天然气管网中,能直接用于居民的日常生活或者提供供暖。

     ag环亚官网是世界第一个能将不稳定的可再生能源通过特殊的电解技术完全高效转化为氢能进行存储和再利用的公司。高效的利用富余的可再生能源制备氢气,并配合燃料电池系统实现能量的存储,应用,回收一体化的解决方案(图3)。我公司在制氢和储氢方面拥有多项国际领先的专利技术,系统产品可以在各种恶劣和不稳定环境下实现高效生产和综合应用。


3 南通ag环亚氢能源一体化解决方案 

脚注信息
copyright(C)2017 ag环亚新能源有限公司