化學與能源**
可再生氫能應用前景
-- 氫的製取
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110506213
梅川調可再生氫能應用前景 -- 氫的製取
摘要:本文綜述了利用可再生資源製氫的主要技術, 包括電解水製氫,太陽能熱化學迴圈製氫和利用生物質轉化製氫等, 不僅對各項技術的基本原理做了介紹, 也對相應的環境, 經濟和安全問題做了**. 對可再生氫能系統的應用前景做了展望.
關鍵詞: 可再生能源, 氫能, 電解水, 光伏電池, 太陽能熱化學迴圈, 生物質
中圖分類號: tk91 文獻標識碼: a
prospect of renewable hydrogen in hong kong-- hydrogen production ni meng
department of mechanical engineering, the university of hong kong
pokfulam road, hong kong,
abstract: this ***** aims to give an overview of the key technologies of renewable
hydrogen production, including water electrolysis, solar thermochemical cycles and hydrogen
from biomass. not only scientific fundamentals, but also environmental, economic and
safety aspects are addressed. prospect for renewable hydrogen in hong kong is evaluated.
keywords: renewable energy, hydrogen energy, water electrolysis, photovoltaics, solar
thermochemical cycles, biomass
引言 技術和經濟的發展以及人口的增長, 使得人們對能源的需求越來越大.目前以石油, 煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要**. 一方面, 化石燃料的使用帶來了嚴重的環境汙染, 大量的co2, so2, nox氣體以及其他汙染物, 導致了溫室效應的產生和酸雨的形成.
另一方面, 由於化石燃料的不可再生性和有限的儲量,日益增長的能源需求帶來了嚴重的能源危機. 據估計, 按照目前的消耗量, 石油僅僅能維持不到50年,而煤也只能維持200年. kazim 和 veziroglu (2001)[1]指出, 做為主要石油輸出國的阿拉伯聯合大公國, 將在2023年無法滿足石油的需求.
dallah 等人(1999)[2]則宣布, 埃及的化石燃料資源, 在未來的20年內就會耗盡! 而作為能源需求大國的中國, 目前已
經有超過31%的石油需要進口, 而到2023年, 這一數字將會增長到45-55%[3]!基於以上所述環境汙染和能源短缺的雙重危機, 發展清潔的, 可再生的新能源的要求越來越迫切. 太陽能, 風能, 生物質, 地熱能, 潮汐能, 具有豐富, 清潔, 可再生的優點, 今年來受到了國際社會的廣泛關注.
尤其以太陽能, 風能以及生物質能,更被視為未來能源的主力軍. 根據簡單估算, 太陽能的利用率為20%時, 利用陸地面積的0.1% 就足以提供滿足當前全球的能量需求[4].
而中國僅僅依靠風力發電, 就足以使目前的發電量翻一番[5].然而, 這些可再生資源具有間歇性, 地域特性, 並且不易儲存和運輸的特點. 氫, 以其清潔無汙染, 高效, 可儲存和運輸等優點, 被視為最理想的能源載體.
目前各國都投入了大量的研究經費用於發展氫能源系統. 在中國, 清華大學已經進行了在2023年奧運會使用以氫為燃料的汽車的可行性分析,綠色奧運將成為2023年北京的一道靚麗的風景線 [6]. 在香港**和香港中華電力(clp)的支援和資助下, 可再生氫能源系統在香港的可行性研究也已經在香港大學機械工程系展開.
本文屬於clp資助的專案的部分內容, 主要歸納總結了利用可再生資源製氫技術的基本原理, 分析了各項技術的經濟性, 對環境的影響以及安全性等關鍵問題.通過對比分析並結合香港的實際情況, 對於香港發展可再生氫能源系統進行了展望.基於經濟因素的考慮, 目前的氫主要是通過化石燃料的重整來製取,比如天然氣汽化重整(natural gas steam reforming), 只有大約5%的氫是通過可再生資源的轉換製取.
利用太陽能電池和風力發電驅動的電解水反應, 利用太陽能的熱化學反應和利用生物質製氫是最主要的從可再生能源中製取氫的技術. 其他可再生氫的製取技術, 比如生物製氫, 光電化學技術, 光催化技術和光化學技術, 雖然具備很大發展前景, 但由於還處於很早期的發展階段, 其技術發展, 經濟性等都還不明朗, 本文不做詳細討論.
1. 電解水製氫
1.1. 電解水基本原理及分類
電解水製氫是目前最為廣泛使用的將可再生資源轉換為氫的技術. 當兩個電極(陰極和陽極)分別通上直流電, 並且浸入水中時, 水將會被分解並在陰極和陽極分別產生氫氣和氧氣. 這個過程就是電解水.
這樣的裝置則為電解槽.
電解水由分別發生在陰極和陽極的兩個化學反應組成, 如式(1),(2)和(3):
anode: h2o electrical energy →21 o2 2h 2e- (1)
cathode: 2h 2e- → h2 (2)
overall: h2o electrical energy → h2 21 o2 (3)
電解水的基本原理1. 在催化劑和直流電的作用下, 水分子在陽極失去電子, 被分解為氧氣和氫離子, 氫離子通過電解質和隔膜到達陰極, 與電子結合生成氫氣.o2 h2
fig.1. schematics of basic principle of water electrolysis
最早的電解水現象是在1789 年被觀測到. 之後, 電解水技術得到了較快的發展. 到1902 年, 世界上就已經有超過400 臺電解槽裝置.
目前市場上的電解槽可以分為三種: (1)鹼性電解槽(alkaline electrolyzer); (2) 質子交換膜電解槽(proton exchange membraneelectrolyzer)和(3)固體氧化物電解槽(solid oxide lectrolyzer).
鹼性電解槽是最早商業化的電解槽技術, 雖然其效率是三種電解槽中最低的, 但由於**低廉, 目前仍然被廣泛使用, 尤其是在大規模製氫工業中. 鹼性電解槽的缺點是效率較低和使用石棉作為隔膜. 石棉具有致癌性, 很多國家已經提出要禁止石棉在鹼性電解槽中的使用.
據報道, pps(poly phenylene sulfide), ptfe(poly tetra fluorethylene), psf(poly sulfone) [7]以及zirfon [8]等聚合物在koh溶液中具有和石棉類似的特性, 甚至還優於石棉, 將有可能取代石棉而成為鹼性電解槽的隔膜材料.發展新的電極材料, 提高催化反應效率, 是提高電解槽效率的有效途徑. 研究表明raney nickel 和 ni-mo 等合金作為電極能有效加快水的分解, 提高電解槽的效率[9,10].
質子交換膜電解槽由於轉換效率很高而成為很有發展前景的製氫裝置.由於採用很薄的固體電解質(pem), 具有很好的機械強度和化學穩定性, 並且歐姆損失較小. 在日本, 效率達94.
4%的質子交換膜電解槽已經研製成功 [11]. 但由於質子交換膜(目前常用的是由杜邦公司的nafion)和使用鉑電極催化劑, **昂貴, 制約了其廣泛使用.今後研究的重點是降低成本, 和進一步提高其轉換效率.
成本的降低主要是通過降低貴重金屬鉑在催化層中的含量和尋找廉價的質子交換膜材料. 目前這個兩個領域都已經取得了一定成效. 印度的電化學和能源研究所(ceer)成功將鉑的含量在沒有影響電解槽整體效能的情況下從0.
4mg/cm2降到了0.1mg/cm2 [12]. 使用噴濺沉積法(sputter deposition)製備催化層也同樣獲得了成功, 並且使鉑的含量降到了0.
014 mg/cm2[13,14]. 其他廉價的替代材料, 如polyphosphazene [15]和sulfonated polystyrene(sps) [16]等也被證實具有和nafion類似的特性, 有可能被用到質子交換膜電解槽中用做電解質. 可以預見, 隨著質子交換膜電解槽技術的成熟和**的降低,pem電解槽將成為製氫的主要裝置.
固體氧化物電解槽(solid oxide electrolyzer)是另一種新興的電解槽技術. 這種電解槽的缺點是工作在高溫, 給材料的選擇帶來了一定限制. 優點是較高的反應溫度使得電化學反應中,部分電能被熱能代替, 從而效率較高, 尤其是當餘熱被汽輪機, 製冷系統等**利用時, 系統效率可達90%.
目前的研究重點是尋找在高溫下具有對氧離子良好導電性的電解質材料和適當降低電解槽的工作溫度.
1.2. 電解海水製氫
海水是世界上最為豐富的水資源, 同時也是理想的製氫資源. 尤其在沿海的沙漠地區, 比如中東和非洲, 淡水資源缺乏, 電解海水製氫則成了唯一的選擇. 但海水富含鹽份(nacl)和其他雜質, 並且通常電解槽的電極電勢超過了產生氯氣所需的電勢,這使得在電解海水時, 往往是氯氣從陽極析出, 而非氧氣.
雖然氫氣的產生不會受此影響, 但產生的氯氣具有強烈的毒性, 需要完全避免. 在所有常用的電極材料中, 只有錳和錳的氧化物及其化合物在電解海水時可以在陽極產生氧氣, 而抑制氯氣的產生.ghany 等人[17]用mn1-xmoxo2 x/iro2ti作為電極, 氧氣的生成率達到了100%, 完全避免了氯氣的產生, 使得電解海水製氫變得可行.
1.3. 利用可再生資源電解水製氫
如前所述, 電解水需要消耗電. 由化石燃料產生電能推動電解槽製氫由於會消耗大量的不可再生資源, 只能是短期的製氫選擇. 由可再生資源產生電能, 比如通過光伏系列和風機發電, 具有資源豐富, 可再生, 並且整個生命週期影響較小等優點, 是未來的發展趨勢.
光伏電池在吸收太陽光能量後, 被光子激發出的自由電子和帶正電的空穴在pn結的電場力作用下, 分別集中到n型半導體和p型半導體, 在連線外電路的情況下便可對外提供直流電流. 光伏電池可以分為第一代光伏電池(wafer-based pv)和第二代光伏電池(thin film pv). 目前市場上多是第一代光伏電池.
第一代電池具有較高的轉換效率(10-15%), 但成本較貴, 限制了其大規模使用. 第二代電池雖然效率較低(6-8%), 但由於採用了薄膜技術, 使用較少的材料, 並且易於批量生產, 製作成本大大降低, 目前的研究方向是進一步提高薄膜光伏電池的轉換效率[18]. 由於光伏電池產生的是直流電,可以直接運用於電解水, 但為了保證光伏陣列工作在最大功率狀態, 在光伏電池和電解槽之間往往需要接入乙個最大功率***(mppt)和相應的控制器.
風能發電由於具有較高的能量利用效率和很好的經濟性, 在最近幾年得到了很快展. 風力發電機組利用風的動能推動發電機而產生交流電. 根據betz law, 風力發電的最大效率理論上可達59% [19].
在風力充足的條件下, 風力發電的規模越大, 其經濟性越好. 因此, 近幾年風力發電朝著大規模的方向發展. 另外, 由於海上風力較陸地大, 並且不佔陸地面積, 最近也有將風力發電機組建在海上的趨勢.
風能發電只需交流-直流轉換即可與電解槽相接產氫, 經濟性較好, 目前不少風力資源充足的國家都將風能-電解槽系統列為重點發展的方向.另外, 地熱能, 波浪能所發的電都可以作為電解槽的推動力, 但和太陽能與風能一樣, 都受地域的限制.
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