清洁能源制氢「氢气新能源」

时间：2023-03-22 11:25:04来源：搜狐

今天带来清洁能源制氢「氢气新能源」，关于清洁能源制氢「氢气新能源」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

本文来自微信公众号：X-MOLNews

来自澳大利亚墨尔本大学的Kevin Gang Li、中国科学院赣江创新研究院胡国平、英国曼彻斯特大学范晓雷和他们共同指导的博士研究生郭继宁等人开发了一种从空气中生产氢气的方法，使得氢气生产与淡水资源脱钩，为未来碳中和提供了一个新方向。

氢气，尤其是利用可再生能源从水得到氢（绿氢），被普遍认为是一种终极清洁能源。化石燃料燃烧会造成大量得二氧化碳排放，从而导致温室效应和全球气候变暖。而氢气燃烧并不会释放二氧化碳或任何其他温室气体。绿氢则更进一步，在生产氢气的过程中仅使用水和可再生的清洁能源。绿氢通常是通过电解水制得的，即，利用电能将水分解成氢气和氧气。而电则可来源于可再生能源，如太阳能、风能、地热能或者潮汐能等。由于氢气可作为可再生能源的“储存”媒介，它可以通过燃料电池等方式进一步转化回电能以保障清洁能源持续供给。对于低碳经济而言，绿氢必不可少。

要淡水还是要氢气？

电解水制氢严重依赖洁净水资源。然而，据联合国水资源组织报道，全球有23亿人生活在水资源紧张的国家和地区，其中7.33亿人生活在高度或严重缺水地区（联合国水资源组织，2021）。目前，电厂、农业和其他工业需要大量的水资源以满足其生产需求，并且与人类赖以生存的饮用水资源形成了一定的竞争关系。虽然水处理装置可在一定程度上缓解上述问题，但额外的净化流程无疑增加了电解水制氢的复杂性和成本，为其可行性带来了极大挑战。此外，可再生能源和淡水供应之间的地理位置极不匹配。

具体来讲，生产绿氢的理想地点是太阳能和风能丰富的地区，包括中亚、西亚、印度的大部分地区、北非、北美西部和澳大利亚的大部分地区，同时这些地区往往也是水资源极度短缺的地区，导致饮用水与工业用水之间的竞争关系。因此，将地表或者地下水作为原料用于制氢将会进一步加剧水资源的短缺，进而引发水资源危机。此外，绿氢经济也将加剧全球淡水短缺的风险。

图1. 淡水供应与太阳能（a）和风能（b）之间的矛盾

将空气变成氢气

来自于墨尔本大学和曼彻斯特大学的研究人员提供一种可以克服上述问题的方法，设计并验证了一种可以不消耗淡水而生产氢气的设备。这项技术最近发表在《自然•通讯》上，被称为空气电解器（DAE），其工作原理是直接从空气中吸收水，然后再通过可再生电能电解水生产氢气。

DAE与其他电解器一样，由金属板电极组成，为水的分解过程提供能量（来自可再生能源）。但其核心在于金属板之间的多孔介质，里面充满了吸水性的离子溶液——一种可以自发吸收空气中水分的化学物质。这类物质很简单，它喜欢从空气中捕获水分子。当水分子从空气中捕捉下来，它们就变成了可以进行电解的水原料。如果将本装置暴露在空气中，它可以直接生产氢气。这就是为什么我们叫它直接空气电解器。

图2. 空气制氢路线图

消除绿氢生产的障碍

通过实现从空气中直接生产氢气，该技术使制氢与淡水资源脱钩，开辟绿氢制造的新通道，将带来一系列的经济和环境效益。对于高碳排放的行业，如冶金等，DAE可以通过将该技术与太阳能或其他可再生能源相结合，为其提供稳定的可再生能源供给以实现零碳化。通过利用再生能源，DAE技术还可以在没有稳定电力供应的偏远地区独立使用，提供清洁氢能。此外该技术还可以与现有系统进行整合，以促进绿氢生产和输送。例如，在现有的天然气管网中，DAE制备的绿氢可以混入天然气进行输送，解决太阳能农场电力过剩的问题，并将绿氢出口到所需地区。

图3. DAE技术原理图

DAE的技术原理论如图3所示。DAE由中间的集水单元和两侧的电极与气体收集器组成。DAE可以与任何形式的电源集成，例如太阳能电池板、风力发电机等。集水单元不仅可以用来吸水，还可以用作储存电解液的容器。将三聚氰胺海绵、烧结玻璃泡沫等多孔介质浸入具有潮解性的离子溶液，通过暴露的表面吸收空气中的水分。同时，液相中捕获的水通过扩散转移到电极表面，随后分别在阴极电极和阳极电极分解为氢气和氧气。端板和多孔海绵之间的储槽可以在空气湿度变化而导致离子溶液体积变化时作为缓冲，可有效避免电解液从 DAE中溢出或润湿的泡沫突然变得干涸。这种多孔海绵确保电解质在海绵的毛细管中的自由运动的同时，充满离子溶液的海绵还能形成物理屏障，有效地将生成的氢气和氧气与空气隔离开。

图4. DAE的性能测试

在对于不同的海绵厚度、海绵孔径结构以及不同湿度以及电流下的平衡浓度的研究后，研究人员开展了不同湿度下的48小时的稳定性测试。经过最初的小幅波动和连续电解48 小时后，系统的J-V曲线仍保持稳定。对于进一步的实验室测试，研究人员选择了40%相对湿度，在15 mA cm-2的条件下对DAE进行了长达12天的稳定性实验。如图4e所示，供给DAE的 H2SO4 浓度最初为 55.2 wt%，在前 120 小时内减小到 51.1 wt%。在接下来的 168 小时内，电解质浓度、DAE 的电压、吸湿的传质驱动力（ΔC = Cexp[51.1 wt%] - C*[47.7 wt%] = 3.4 wt%）和 H2 法拉第效率（约 95%）均十分稳定。此外，在特定电压（2.4、2.7、3.0 V）下的相应电流密度在这 12 天的连续运行中也处于稳定状态（图4f）。该结果表明 DAE 在不同空气相对湿度、电压和电解质浓度下具有极好的适应性和长期稳定性。

图5. 制氢塔的露天演示（2020.12，澳大利亚墨尔本）

为了进一步展示DAE在实际环境中的工作能力，研究人员设计并建造了一个独立的制氢样机（图5a），它由五个平行堆叠的DAE模块组成，垂直叠加一个太阳能电池板进行供电。这种设计的优点之一是塔的占地面积不超过太阳能电池板，即DAE 不会占用额外的土地。环境测试的地点位于墨尔本大学校园内，天气为炎热干燥的夏季（地中海气候），时间为期两天，每天 8 小时。室外温度在 20 °C 到 40 °C 之间波动，空气相对湿度在20-40%之间波动。从阴极放出的产物氢气被收集在倒置的、充满水的量筒中，并用于检查气体生产效率。阳极上产生的氧气被排放到空气中。在室外测试过程中，氢气的法拉第效率平均为 95%。第一天天气晴朗时，电流输出稳定在400 mA左右，电压2.68 V。析氢速率为186 ml h-1，一天的总产氢量为1490 ml，相当于745 L H2 day-1 m-2，或 3.7 m3 H2 day-1（m2 塔）-1。

第二天，阳光保证了9:00-13:00电流输出稳定在400 mA，平均产氢率约为179 ml h-1，与第一天相近。但在清晨8:00至9:00，太阳强度有限，导致电流输出相对较低，为270-370 mA，产氢率为140 ml h-1。在下午（14:00至16:00）天气转阴，使太阳能电池板的电流输出低至50 mA，因此氢气的产生率下降到21 ml h-1。综合来看，在非理想天气条件下，第二天的总产氢量仍能达到1188 ml。

一个由可持续能源驱动的氢气生产的新方向

这项DAE技术的目的并不是取代传统制氢工艺，而是对其的一个完美的补充。当淡水资源丰富且价格便宜时，传统制氢工艺仍具有优势。经过两年半的研发和实验室论证之后，团队成员认为该装置可以容易地进行放大并与可再生能源进行结合，可以在相对湿度低至4%的情况下连续产生高纯度的氢气，这在技术上和结构上都是可行的，并且维护成本很低。基于该DAE技术，绿氢可以在地球上任何地方进行生产，具有巨大的潜在的应用价值。

该技术已经完成专利布局和实验室阶段论证，下一步是放大制氢规模，以及在不同地理和气候条件下进行测试，以了解其适应不同条件的能力和在不同条件下的工作性能。研究人员正在扩大DAE的规模——从五层堆叠到1平方米，然后是10平方米，以此类推，环境测试也在后期计划之内。