探究制氫技術的現狀及發展前景

趙騰飛 張偉 閆毅華

摘要：現階段制氫技術已被廣泛應用在各領域生產制作環節，制氫技術應用效果可直接影響到各類產品生產質量。現階段電子技術可分為石化能源制氫技術、非石化能源制氫技術等，此些制氫技術的應用流程及生產效果不一致。本文就基于此，分別闡述石化能源制氫技術與非石化能源制氫技術生產流程，提出制氫技術發展前景，以供參考。

關鍵詞：制氫技術;現狀;發展前景

前言

當前社會經濟發展與化石燃料稀缺的矛盾問題日漸突出，為最大限度提升清潔性能源應用效果，還需要著重關注能源生產及開發環節的優化工作。氫氣具備能量密度高、熱轉化效率強、燃燒期間污染物排放量低等優勢。為充分發揮出氫氣能源的應用積極性，還需要對現有制氫技術應用情況進行細致剖析，不斷優化制氫流程，切實保障制氫生產效果。

1、化石能源制氫技術

化石能源制氫技術可分為天然氣制氫、焦爐氣制氫兩種方式。天然氣制氫主要就是借助高壓高溫環境，使天然氣內烷烴與水蒸氣在催化劑作用下發生充分的化學反應，再經過沸鍋換熱后，氣體中的一氧化碳會轉化為氫氣與二氧化碳。而后配合換熱、冷凝、汽水分離手段，將獲得的氣體收集在吸附劑的吸附塔中，配合使用變壓吸附手段提取氫氣產品[1]。通過在該生產環節增加天然氣加壓脫硫過程，水蒸氣在裝填期間會進行重新轉化與分解，生成氫氣、二氧化碳、一氧化碳氣體。再將氣體經過熱量回收之后，氣體中的一氧化碳含量發生變化，而后配合使用變壓吸附方式獲得體積分數為99%至99.9%的氫氣。

焦爐氣制氫技術主要就是借助煤焦化過程，獲得可燃性氣體，配合使用變壓吸附方式將氣體進行高效分離。此種方式所需成本較低，應用范圍較大。在焦爐氣制氫過程中，需要將焦爐煤氣加壓至0.58MPa，冷卻至40～45℃后進行去水、去郊游，去焦油、去苯等方式。通過變壓吸附脫硫脫碳工序，去除煤氣中的其他物質，獲得半成品氫氣。半成品氫氣還需要經過復式壓縮機加壓到1.25MP a，經過變壓吸附提氫工藝，提取體積分數為99.9%以上的氫氣。

2、非化石能源制氫技術

2.1水制氫技術

使用氫化物水解制氫手段，配合使用添加各類金屬離子氫化物，在常溫環境下使金屬離子發生水解反應要獲得氫氣。使用電解水制氫，水分子在陽極分解為氫離子與氫氧根離子。氫離子獲得電子生成氫原子并形成氫分子，氫氧根離子在陽極與陰極的電場共同作用下穿過電解質膜，最終到達陽極，使陽極失去電極生成水分子及氧分子。

光解水制氫技術主要就是依據光輻射在半導體上的原理，在輻射能量大于或等于半導體禁帶寬度情況下，半導體內的離子會受激發作用從價帶躍遷到導帶，引發電子與空穴的分離現象。半導體不同位置會將水還原成氫氣或者水化氧。

2.2流體燃料制氫技術

使用甲醇重整制氫手段，在傳統催化作用要求下，大氣壓力及溫度較低，可以采用接地等離子方式直接分解甲醇反應[2]。在甲醇體積為30.0%的情況下，甲醇轉化率及氫產出率可達到62.2%與30.8%。

使用乙醇制氫手段，從根本上提升氫氣釋放量。配合使用多孔不銹鋼支撐的鉑基膜反應裝置，氫氣產出率為40%。

使用生物油重整制氫手段。在制氫過程中，借助催化劑的作用可以使生物油與水蒸氣發生重整反應，生成一氧化碳與氫氣，可以有效控制氫氣生產過程中的能源消耗量，采用接地等離子直接分解甲醇反應。

2.3生物制氫技術

借助有機廢水廢棄物開展制氫工作，取經過處理后的厭氧污泥裝入玻璃反應器中，加入培養液與一定劑量的啤酒廢水開展制氫試驗。結果發現在試驗溫度控制在35℃的情況下，比產氫速率、氫氣產量以及總糖降解率均可達到最大值。

生物制氫期間也可使用微藻制氫技術，為裂解水做最終電子供體。由于藍藻類有可能參與氫氣代謝的固氮酶、吸氫酶以及雙向氫酶，可以在反應期間生成氫氣，實際產出效率良好。

配合使用生物及生物發酵技術開展制氫生產工作，通過培育暗發酵與光發酵生物，保障生物制氫產量。使用牲畜堆肥作為天然產氫菌源，玉米芯作為底物，借助厭氧發酵方式產出氧氣，獲得最大產氫量以及產氫速率值。

2.4核能制氫技術

將核能作為氫氣生產期間的重要產熱原料，切實滿足制氫技術應用要求。配合使用核反應器熱流動方式，使制氫生產期間的熱量需求能夠得到根本上滿足。

2.5波力制氫技術

波力制氫技術是一種低成本的制氫技術手段，系統應用期間的造價較低，制氫生產效率高。在使用光伏電池與電解水相結合的技術手段時，制氫成本將進一步降低，并可同時產出高質量氧氣。

3、制氫技術發展前景

通過分析現階段制氫技術，發現制氫技術始終朝向提高制氫效率、控制制氫成本方向轉變[3]。基于制氫生產經驗，發現可再生能源已被廣泛應用在制氫環節，石化燃料制氫技術也在節約成本方面獲得了較大進展。對比不同制氫裝置設備投資費用以及裝置運行大小關系，發現甲烷蒸汽轉化制氫技術的設備投資量最小。對于處于研發階段的新型制氫技術而言，其運行期間的設備投資費用仍處于估算階段。

基于全球制氫生產現狀，發現氫氣生產行業仍然會以多種制氫技術并存的格局發展。天然氣蒸汽轉化技術與生物制氫技術將會成為主要制氫方式。

為推動社會可持續發展進程，生物質與太陽能成為當前制氫生產重要發展方向。現階段生物質制氫效率進一步增長，制氫成本得到極大程度改善，生物制氫手段的應用前景將更為廣闊。同時，太陽能制氫技術也會成為未來氫氣生產行業中的重要主導者，借助太陽能提升制氫效率，控制制氫生產期間的污染物排出量，確保制氫生產行業能夠始終趨向于綠色環保方向發展。

總結：總而言之，通過分析不同制氫生產技術，發現保障制氫效果，提高制氫純度，減少制氫生產期間的一氧化碳與二氧化碳排放量依舊是當前制氫行業重要發展難題。為滿足各領域日漸增長的氫需求量，還需對現有制氫技術手段進行不斷優化，著重關注制氫期間物質利用率的提升，確保制氫技術能夠更好實現節能環保目標。

參考文獻：

[1]王昊. 制氫技術現狀分析及發展[J]. 化工設計通訊，2018，44（11）：187-188.

[2]黃格省，閻捷，師曉玉，盧紅，鮮楠瑩. 新能源制氫技術發展現狀及前景分析[J]. 石化技術與應用，2019，37（05）：289-296.

[3]孫鶴旭，李爭，陳愛兵，張巖，梅春曉. 風電制氫技術現狀及發展趨勢[J]. 電工技術學報，2019，34（19）：4071-4083.