近年来,随着政策的引导与技术的进步,我国氢能产业快速发展。但仍存在氢能产业核心技术亟待突破,关键材料尚未自主,基础设施建设有待加强等诸多问题。因此,本文总结了绿色氢能关键技术的发展现状与趋势,结合我国氢能产业发展提出了典型的应用场景和发展建议,给各位关注氢能的朋友提供借鉴与参考。
电解水制氢技术
利用可再生能源电解水制氢是最成熟的绿色制氢技术。电解生成氢气和氧气,制氢过程中无含碳化合物排出,符合绿色可持续发展的理念。制得的氢气转换为电能并入电网或直接供给负荷,提高了能源系统的综合利用效率,有助于解决新能源消纳问题,保障电力系统的安全稳定运行。电解水技术设备简单、技术成熟、无污染,由于其成本相对较高、效率低、能耗大等因素制约了电解水制氢技术的商业化推广。
根据电解质种类不同,典型的电解水制氢技术主要分为以下几类:碱性电解、质子交换膜电解(PEM)、固体聚合物阴离子交换膜电解、固体氧化电解(SOEC)。
目前,碱性电解水制氢技术发展最为成熟,制氢成本也相对较低,已基本实现工业大规模应用,但是能效较低;PEM（质子交换膜电解）制氢技术具有更宽泛的运行功率范围及更短的启动时间,可实现高电流密度电解、功耗低、体积小、生成气体纯度高、容易实现高压化,能够很好适应可再生能源的波动性,国外发展较为成熟,已开始商业应用,但在我国基本处于实验研发阶段，之后将由实验阶段转向商业化和示范应用;对于SOEC（固体氧化电解）电解水制氢技术,目前国内外均处于实验室研发阶段。
太阳能制氢技术
目前,太阳能制氢技术主要有光催化法制氢、光化学制氢、人工光合作用制氢等。
光催化分解水制氢的过程比较复杂,当太阳光照射光催化剂时,光催化剂进行捕获、吸收、产生激子,少量存在的激子向表面发生迁移,迁移到反应活性中心分解水产生氢气。光催化剂制氢效率较高,可用的材料较多,但是转换率偏低。光催化制氢技术的研究重点主要集中在开发具有催化活性高、稳定性好、成本低的光催化剂。
热化学制氢技术,利用聚光器加热水,当温度达到2500K以上时分解为氢气和氧气。热化学制氢技术方法简单,效率高,但是需要高倍聚光器才能获得分解需要的温度。研究发现,热化学制氢技术在光照条件下可以利用光催化剂降低对温度的要求。
人工光合作用制氢技术是模拟植物的光合作用,利用太阳光制氢,制氢过程与电解水相似,制氢效率快,环境友好,但转化效率低,发展缓慢。
太阳能制氢技术仍处于实验室研究阶段,目前美国斯坦福大学、中国清华大学、中国科技大学、中国科学院大连化物所等都在进行光催化制氢技术的相关研究。随着更多的研究关注,政策的扶持,资金大量的投入,技术的开发和进步将会越来越快,太阳能制氢技术将能进一步完善。
生物质制氢技术
生物质制氢技术是一种高效无污染的生物工程技术,原料丰富、工作环境简单、生产费用低、可再生、低消耗,是未来规模化制氢的重要途径。生物质制氢技术目前主要有微生物法和热化学转化法。微生物法制氢技术包括光发酵法制氢、暗发酵法制氢和光合生物制氢。热化学转化法制氢技术包括生物质气化法制氢、生物质热解法制氢、生物质超临界法制氢。
目前国内外生物质气化法制氢和生物质热解法制氢技术较为成熟,已进行产业化推广。微生物法制氢技术与生物质超临界法制氢技术尚处于实验室研究阶段。生物质气化法制氢的关键气化技术虽已成熟,但由于生物质气化规模小,现主要用于供热、发电等用途;如用于规模化制氢需要配套的制氢系统,较为复杂,经济性差,目前还没有生物质气化制氢工业化装置建设。
