《氢能万亿级市场新动力,海水直接制氢再迎技术突破》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2023-04-23
  • 摘要:海水直接电解系统可就地将海洋可再生能源转化成氢气进行运输利用,或将成为一种能源高效储存和利用的新方式。近日,一个由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队开发了一种耐海水的双极膜电解槽,该设计被证明在不产生大量有害副产物的情况下成功地产生了氢气,有望推动海水直接电解制氢的新发展。

    氢成为21世纪人类可持续发展最具潜力的二次清洁能源。

    可再生能源耦合电解水制氢是一种可持续、无污染、高效的制氢方式。目前电解水制氢技术主要使用碱性电解系统和PEM(质子交换膜)电解系统,但是这两种技术路线都依赖高纯淡水作为水源。

    据测算,电解水制氢每生产1公斤氢大约需要9升纯水,如果电解水制氢大规模推广,势必对人们赖以生存的淡水资源产生巨大的压力。

    因此,人们把目光投向了储量占全球总水量96.5%的海水,电解海水制氢可以减少淡水资源的压力。随着海洋可再生能源发电技术(如海上风电、潮汐能等)的逐渐完善,海水直接电解系统可就地将海洋可再生能源转化成氢气进行运输利用,或将成为一种能源高效储存和利用的新方式。

    与淡水不同,海水成分非常复杂,涉及的化学物质及元素有92种。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等杂质,会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。而氯离子氧化反应 (COR)会在电解槽阳极产生腐蚀性“游离氯”物质,并对海水电解槽的安全性、效率和耐久性带来重大挑战。此外,在制氢完成后是否会产生有危险性的高盐,并把高浓度的有毒氯气排回海洋环境。这些问题都有待解决,因此目前有许多科学家在致力于这方面的研究。

    此前,媒体跟踪报道了海水制氢的技术突破。

    近日,一个美国研究团队在海水直接电解制氢技术上又取得了新的突破。由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队,开发了一种耐海水的双极膜电解槽,该设计被证明在不产生大量有害副产物的情况下成功地产生了氢气。最新研究成果已于近期发表在了《焦耳》杂志上。

    1

    耐海水双极膜电解系统

    SLAC和斯坦福大学的博士后研究员约瑟夫·佩里曼(Joseph Perryman)说:"海水中有许多活性物种可以干扰水电解制氢的反应,而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一。特别是,进入阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的使用寿命,并且由于包括分子氯和漂白剂在内的氧化产物的毒性,实际上电解系统可能变得不安全。"

    图说:质子交换膜(PEM) 电解槽和双极膜(BPM)电解槽

    因此,该团队通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计。为了处理海水,该团队实施了双层膜系统,并使用电解对其进行了测试。实验中的双极膜可以获得制造氢气所需的条件,并同时减少氯化物进入反应中心。

    图说:双极膜水电解槽(BPMWE)和质子交换膜水电解槽 ( PEMWE )设备原理图

    理想的膜系统具有三个主要功能:从海水中分离氢气和氧气;有助于仅移动有用的氢离子和氢氧根离子,同时限制其他海水离子;并有助于防止不良反应。将所有这三种功能同时捕获是很困难的,该团队的研究旨在探索能够有效结合所有这三种需求的系统。

    具体来看,双极膜 (BPM)由阳离子交换层(CEL) 和阴离子交换层(AEL) 组成,集成到双极膜水电解槽 (BPMWE) 装置中。在实验中,适当设计的 BPMWE与不对称的电解质进料相配合,其中海水只存在于阴极,相互兼顾了限制 Cl-交叉到阳极的CEL(由于阳离子传输的选择性)和提供局部碱性阳极pH值的AEL(其中OER催化剂具有高选择性并减轻COR)的优势,从而形成一个固有的离子耐受性的海水电解槽。

    图说:耐海水双极膜电解系统

    来源:SLAC 国家加速器实验室

    在双极膜水电解槽系统中,质子(即正氢离子)穿过膜层之一到达可以收集它们的地方,并通过与阴极(带负电的电极)相互作用转化为氢气。而系统中的第二层膜仅允许负离子(例如氯离子)通过。在该团队的实验中,带负电的膜被证明能高效地阻挡几乎所有的氯离子,而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯气等有毒副产物。

    2

    更持久的海水直接电解能力

    研究人员用盐水进料评估了BPMWEs的离子传输特性、性能、选择性和耐久性,并将其与单极质子交换膜水电解器(PEMWEs)进行了比较。实验展示了BPMWE装置可在持续电解过程中使用从太平洋(美国加州半月湾)收集的真实海水来产生H2和O2,电流密度为250 mA cm-2。

    图说:实际海水电解过程中的设备稳定性比较:BPMWE(蓝色)和 PEMWE(灰色);(A) 海水作为阴极进料,去离子水作为阳极进料,以及 (B) 海水进料到两者阴极和阳极。

    在 250 mA cm -2下连续 BPMWE 运行 >100 小时后,仅形成法拉第效率 (FE)为 0.005% 的游离氯,因此据信对观察到的电压衰减率没有显著影响。在相同的不对称海水条件下,PEMWE 在大约 50 小时后失效,并且在运行的前 24 小时内迅速产生比 BPMWE 在 >100 小时的运行过程中更多的游离氯 (~20 μM)。这种加速的 PEMWE 电压衰减显示了腐蚀性游离氯的形成会缩短设备寿命。

    当海水被引入阴极进料和阳极进料时,相对于对称去离子水进料条件,BPMWE 的总电池电压增加了 0.90 V。PEMWE 在将真正的海水添加到其进料中后没有量化电压尖峰,因为电压迅速增加直到在运行 3 分钟内失效,这可能是由于在其酸性阳离子交换层(CEL)处产生腐蚀性游离氯物质环境。在将海水供给阳极和阴极进行 3 分钟的电解后,PEMWE 的 COR 法拉第效率 (FE)为 10%,而 BPMWE 在 7 小时的直接、未处理的海水电解中没有产生任何可检测的游离氯物质。

    3

    未来

    研究人员表示,除了设计海水制氢膜系统外,该研究还让人们更好地了解海水离子如何穿过膜。这些知识也可以帮助科学家为其他应用设计更坚固的膜,例如生产氧气。

    接下来,该团队计划通过使用更丰富且更容易开采的材料来构建电极和膜,从而改进它们。该团队表示,这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动(如交通部门)生产氢气所需的规模。

    研究人员还希望将他们的电解槽带到 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL),在那里他们可以使用该设施的强 X 射线研究催化剂和膜的原子结构。

    “绿色氢技术的未来是光明的,”SLAC 和斯坦福大学教授兼 SUNCAT 主任 Thomas Jaramillo 说。“我们获得的基本见解是为未来创新提供信息以提高这项技术的性能、耐用性和可扩展性的关键。”

    海洋是地球上最大的氢矿,向大海要水是未来氢能发展的重要方向。根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》, 2050年全球氢能源需求将增至目前的10倍,至2070年将达到5.2亿吨。在氢能需求侧庞大规模的拉动下,加之技术层面的不断突破,海水直接制氢路线工业化曙光已现,将为氢能万亿级市场的实现提供强大动力。

  • 原文来源:https://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2422477.shtml
相关报告
  • 《氢能“万亿级”市场蛋糕抢夺战正酣》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-06-07
    • 进入2019年,氢能源热度攀升。《经济参考报》记者获悉,目前有超过20个城市竞相出台规划,打造相关产业群,许多企业也在加速“跑马圈地”,其中不乏国家队的身影,氢能“万亿级”市场蛋糕抢夺战正酣。 今年政府工作报告首次提出推动加氢等设施建设。3月26日,财政部等四部委印发了《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,在其他新能源车型补贴大幅下调时,对燃料电池汽车补贴力度保持不变。之后高层及相关部委又数次提到加快发展氢能源等新兴产业。 全国各地也竞相出台扶持政策,规划布局相关产业群。据不完全统计,目前已有20多个省市出台氢能的发展规划和氢燃料汽车的发展规划,形成了华东、华中、华南、华北、东北、西南六个氢能和氢燃料电池汽车的产业群。 山西省提出,依托太原市、大同市、长治市等城市现有氢燃料电池汽车相关产业开展试点示范,将山西打造成中国“氢谷”。浙江宁波也提出要打造氢能装备制造基地、推进氢能技术创新研发、推进氢能示范应用、建设氢能产业创新协同平台、引进培育氢能龙头企业以及推进氢能公共服务平台建设。 江苏如皋规划到2030年氢能产业年产值突破1000亿元,氢能和新能源汽车企业建设高水平研发平台的最高可享受1000万元的资助。安徽六安提出,对于加氢站的财政补贴最高不超过400万元。此前,广东佛山南海对区内新建成的单个加氢站最高补贴800万元。 政策暖风劲吹之下,许多企业也加速跑马圈地。去年国家能源集团发起并牵头成立了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟,国家电网等十几家央企参与其中。今年两会期间,中核集团表示与清华大学、宝武集团等国内主要相关单位,联合开展了核能制氢与氢能冶金结合的前期合作。 多个上市公司近期也密集披露“涉氢”计划。鸿达兴业近日公告,子公司乌海化工在乌海市海南区海化工业园建设的第一座加氢站于日前投入使用。此前其与乌海市政府签署了《氢能项目战略合作协议》,拟在乌海开展氢能技术及应用研究,打造氢能城市。该公司还将利用中石化内蒙古分公司现有网点增添加氢功能及加氢站的建设工作。 长盈精密公告称,公司拟在深圳投资设立全资子公司深圳市长盈氢能动力技术有限公司,注册资本1亿元,经营范围包括氢燃料电池金属极板的研发、生产和销售等。中泰股份、开尔新材等上市公司也表示,要成立公司布局氢能源行业。 据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》预计,到2020年,中国氢燃料电池车辆将达到1万辆;到2030年,氢燃料电池车辆保有量将达到200万辆,占全国汽车总产量的比重约5%,氢燃料电池汽车产业产值有望突破万亿元大关。 不过,业内人士也指出,作为新兴产业,氢能源市场化应用尚需时间验证,燃料电池车在成本、技术及配套设施建设方面还有待突破。
  • 《氢能超12万亿元市场中燃料电池将率先发力》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-10-29
    • 多煤少油缺气”是我国能源结构的现状,一直以来,如何摆脱对煤、油的过分依赖是我国能源应用中的一大痛点。诸如光伏、风能等皆是为解决该问题而做出的尝试。10月22日,同济大学国家智能型新能源汽车协同创新中心主任余卓平教授在2020浦江创新论坛成果发布会上介绍了一种新可能:氢能。 “我国是世界最大的产氢国,如果未来能好好发展氢气,对我们国家的发展会非常有利。”余卓平指出。2019年,中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》曾预计,到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%,年经济产值超过12万亿元。 上述会议现场发布的《氢能源未来发展趋势及研发应用》显示,现阶段氢能价值链还相对较小,未来会率先在商用燃料汽车领域取得商用突破。“上汽、潍柴动力、东风、长城等自主品牌均已布局燃料电池,上汽的燃料电池堆已达国际先进水平、自主车型正走向市场。”余卓平对《科创板日报》记者称。 为什么是氢? 到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%,这一数字意味着什么?余卓平指出,目前,石油在能源体系中所占的份额在10%+,换言之,到了2050年,氢能或能部分取代石油。 “其实,从国际上来看,国际氢能委员会预计这一比例会达到18%。”余卓平称。之所以看好氢能,乃是因为一经跨过技术使用门槛后,氢能的使用效率会远高于风能、光伏等新能源。 “我们国家发展风、光等可再生能源的速度非常快,但可再生能源大规模的应用一直受到制约。”余卓平指出,他曾到西部光伏电站做过调研,看到光伏电站的上网率在某些时段内会被控制在20%。 “也就是说可以发100%的电,但是只允许20%的电上网。可再生能源的电无法储存,受到电网不匹配、不稳定性等限制,这限制了能源的使用。”余卓平表示。但如果把可再生能源和氢能结合,就能解决这些问题。 此外,氢具有自身独特的优势,比如,它的使用是清洁无碳的;使用效力也远高于柴油、汽油等能源;应用场景也可覆盖汽车、轨道交通、船舶、无人机等。 现阶段利用有限 目前,全球各国的氢能使用仍然有限。“在国内,现阶段的氢能价值链还不能称之为‘氢能’,更多是被定义为一种危险的化工品,主要来自炼钢副产品、化工副产品。”余卓平称,在使用时,这些氢还需要经过特殊的技术处理,此外还存有安全性等挑战。 他进一步指出,直接由石化能源分解而来的氢气被称之为“灰氢”,而后还需使用碳捕捉处理技术,将多余的碳捕捉,进而实现废碳的再应用,经过这样一轮循环的氢,称为“蓝氢”。 “现在碳捕捉处理技术技术逐渐在成熟,但是捕捉下来以后的废料如何处理仍是一个难题。”余卓平表示。此外,欧盟还提出了绿氢的新概念。 持续看好燃料电池 余卓平指出,化工原料、航空航天、钢铁冶金、储能、加氢站、燃料电池发电供热、燃料电池汽车均是氢能的下游应用。其中,他最为看好燃料电池汽车。 一是基于市场规模。余卓平称,从纯电动、混合动力汽车的情况来看,其50%的产量、50%的市场均在中国,因此,燃料电池汽车的市场潜力亦颇被看好。同时,全国各地方政府投入积极,纷纷出台了地方发展氢能战略,从具体措施来看,全国各地加氢站已超过90座。 二是技术壁垒逐渐形成。“上汽、潍柴动力、东风、长城等自主品牌均已布局燃料电池,而上汽走在了最前列,其燃料电池堆PROME M3H的整个系统完全自主研发,59个一级零件全部国产化,余卓平称。 三是区域的产业集群正在形成。“我们国家东部主要的经济发达地区在氢能的发展上的规划是最积极的。”余卓平表示,他已向上海市政府推荐,把国产燃料电池汽车作为网约车推广应用。