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Science:挪威科學家開發出制氫技術,效率>99%
文章來源:高分子科學前沿     更新時間:2022-04-25 15:09:10
發達國家對使用氫(H2)作為未來綠色燃料的態度搖擺不定。如今,隨著氣候危機日益明顯,人們對氣候變化的興趣正在重新燃起。假設氫可以通過使用可持續的電力來生產,那么氫的關鍵挑戰在于它的經濟性。安裝氫氣基礎設施的高昂成本,一直是美國和其他國家決定暫停氫氣計劃的主要原因。

 

 

近日,一個來自挪威奧斯陸大學的研究團隊開發了一種電化學膜反應器,從更便捷和更經濟的載體(包括氨(NH3)、甲烷(CH4)和生物質能)中剝離氫,直接正面解決了氫基礎設施的需求。這些燃料可以通過現有的基礎設施運送到需要的地方,在那里它們可以被轉化為氫用于燃料電池。相關工作以“Single-step hydrogen production from NH3, CH4, and biogas in stacked proton ceramic reactors”為題發表在最新一期的《Science》。并被《Science》作為亮點評述。

 

 

近年來,使用液體或容易液化的氫氣載體來滿足氫氣輸送需求的概念得到了廣泛的關注。氨作為載體很有吸引力,因為整個循環是完全無碳的;而甲烷之所以有吸引力,是因為產生的二氧化碳有可能被分離;生物質之所以有吸引力,是因為如果與固碳一起使用,它會導致碳負循環。在現有的從含氫化合物中提取氫的反應器類型中,基于質子陶瓷電解質的電化學膜反應器具有明顯的優勢。這種反應器結合了熱化學催化劑,可以促進載體的分解,并通過一個導電質子的固體膜電化學泵送氫。因為只有質子在析氫電極氧化后以氫氣的形式出現,才能被輸送到膜上,因此人們可以合理地預測,每一個被輸送到膜上的電子都會以1:2的比例產生氫氣。此外,由于膜的固體狀態和氣體不滲透的特性,產生的氫可以完全不含雜質——特別是未反應的載體分子,這些分子根本無法到達膜的另一邊。另一個額外的好處是可以通過增加電流來加壓氫的能力。

 

圖1. 隨著用于氫燃料生產的電解水的增加,能源部門越來越需要使用氨和甲烷等方便的載體來有效地輸送氫。

照片來源:YOSHIKAZU TSUNO/AFP/GETTY IMAGES

 

與電化學反應器不同的是,傳統的催化膜反應器使用的是滲透氫的膜,通常由鈀或鈀合金制成,而不是滲透質子的膜。通過機械壓力,氫氣可以通過傳統的膜,從而產生化學勢梯度。在電化學膜反應器中,通過施加電壓(或電流)驅動質子穿過膜,間接驅動氫氣的流量。

 

電化學膜反應器的最新進展刺激了實施“按需氫”的解決方案。在為實際應用放大的設備中,挑戰出現了。正如Clark(文章的第一作者)等人所指出的,管理整個反應堆的溫度分布是特別困難的。因為氫濃度的變化,將氫泵過電化學膜的過程會導致溫度的升高。同時,分解反應本身是吸熱的,并使溫度下降。因此,在一個簡單線性流動的反應堆中,上游的狀態將比下游的狀態冷得多。這樣的溫度梯度使得效率大幅下降。

 

圖2. 使用PCERs分離和壓縮H2。

 

Clark等人通過設計一種逆流幾何結構來應對這一挑戰,這種結構可以將電化學泵在反應器下游產生的熱量傳遞到反應器上游,在那里載體分解反應進而冷卻系統。除了使用逆流設計外,還通過制定互連材料來緩解熱梯度,該材料提供了良好的傳熱以及反應堆中相鄰單元之間的電接觸?;ミB組件也被設計成與反應器電化學組件的熱膨脹行為相匹配,從而有助于其長期穩定性。隨著反應器設計和材料組成的進步,研究者在這項工作中實現了載氣轉換、氫氣回收、系統尺寸和反應器壽命的前所未有的組合。

 

Clark等人所設計的體系實現了> 99%的提氫效率,這個數值高于目前其他所有已經報道的文獻。雖然提氫效率不是一個經常討論的指標,但它對描述催化膜反應器的整體性能是有用的,可以通過載體轉化率分數乘以氫回收率分數來計算。

 

圖3. 用于電化學制氫的PCER堆。

 

另一個重要的指標是跨膜的壓力差。在傳統的膜催化反應器中,機械泵對反應物加壓,滲透物的出現壓力低于進料壓力。因此,需要額外的機械泵對氫進行加壓和壓縮,以便儲存和運輸。Clark等人展示了一個集成系統,在該系統中,化學轉化、凈化和加壓都在一個設備中完成,而這一成就只有在電化學膜反應器中才能實現。氫氣萃取效率和廢氣增壓的結合在他們的系統中同樣也是前所未有的。未來的努力方向可能是提高氫通量,對于他們的電化學系統來說,這仍然是適度的,不需要考慮提取效率或壓力指標。

 

當今,氫的主要應用是在石油煉制中,約占所有氫消耗的55%,而約93%的氫是由甲烷產生的。因此,甲烷蒸汽重整技術的進步可能會無意中延長全球對化石燃料的依賴。通過將更多的注意力集中在Clark等人展示的一種氫載體氨上,未來的電化學催化反應器可能會在不產生碳排放的情況下使用氫。

 
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