制氢：如何制氢，氢气是什么？
氢气作为一种前景广阔的清洁能源载体正变得越发重要，尤其是为了将来更好地保护气候。但您是否想过氢气究竟是什么，如何制氢？在这篇文章中，我们将了解制氢的基本原理和技术，以及氢气成为特殊元素的原因。
氢气：最简单的化学元素及其组成
简单地说，氢气是一种无色、无臭、无味的气体。它被誉为宇宙中最简单、最丰富的化学元素。氢气由微小的粒子、质子和电子组成。
它的反应能力非常强，可与其他元素结合形成水等化合物。它是一种强大的燃料，可用于发电、驱动车辆和产生热量。作为一种清洁能源载体，氢气具有减少环境影响和促进可持续能源供应的潜力
氢气的工业应用
通过技术手段制氢
目前存在几种制氢技术，可根据具体要求和现有资源加以使用。以下是一些常见方法：
- 天然气的蒸汽重整：这是目前广泛使用的制氢技术。在此工艺中，主要由甲烷组成的天然气在催化剂的作用下与水蒸汽一起加热。形象地说，蒸汽重整可以看作是天然气的分解过程。
在此工艺中，天然气中的甲烷与水蒸汽反应，产生氢气 (H2) 和一氧化碳 (CO)。所获得的氢气经过纯化，可用作汽车燃料以及在燃料电池或多种工业应用中发电。这种工艺成本低廉，但也有缺点，二氧化碳会作为副产物释放出来，对环境造成影响。
- 水电解：在电解过程中，水在电流的作用下分解为氢气和氧气。电解过程在电解器中进行。
- 太阳能制氢：在这种方法中，使用太阳能而不是电能来进行电解，这可以通过直射的阳光或在太阳能反射镜或集热器的帮助下集中太阳辐射来实现。这种新技术可在日照充足的国家/地区使用，以具有成本效益的方式制氢。
- 热化学制氢（生物制氢）：某些微生物（如某些细菌或藻类）可通过发酵或光合作用产生氢气。这种方法仍在开发中，但有可能成为一种可持续和环保的氢源。不过，这种制氢方式的缺点是资源有限。
制氢的可持续性：选择正确的能源
应该注意的是，并非所有制氢工艺都具有可持续性或环保性。制氢的可持续性取决于所使用的能源和生产过程中的二氧化碳排放量。为了充分利用氢气作为清洁能源的优势，使用可再生能源制氢非常重要。
使用太阳能、风能或水电等可再生能源可显著减少制氢工艺中的二氧化碳排放，使其更具可持续性，可生产出对环境无害的氢气。这是实现低碳未来和应对气候变化的重要一步。
氢气常被称为“能源转型的香槟”。但是，我们如何利用可再生能源大规模制氢呢？
移动式氢气应用
电解是前途光明的工艺。电解工艺可以环保制氢，特别是当制氢所用电力来自可再生能源时。相关技术发挥着重要作用，它让清洁氢气成为众多应用的可持续能源载体。让我们详细了解不同的电解技术，以及每种技术的优点和缺点。
PEM 电解：
PEM 电解（也称为质子交换膜电解）使用聚合物膜和电流将水分解为氢气和氧气。
优势：
- 快速启动，快速适应可变负载
- 在部分负载下运行效率高
- 工作温度低（50-80°C），减少了昂贵材料的使用
- 尺寸紧凑，易于集成到现有系统中
- 技术成熟度高 (TRL 7-8)
缺点：
- 对水中的杂质敏感，因此需对水进行预处理
- PEM 燃料电池的使用寿命有限（约 10000 个运行小时）
- 与碱性电解相比，成本更高
碱性电解：
在碱性电解中，使用碱性电解质（通常是氢氧化钾的水溶液）将水分解为氢气和氧气。
优势：
- 与 PEM 电解相比，成本更低
- 可抵御水中污染物
- 电解槽使用寿命长（约 40000-80000 个运行小时）
- 技术成熟度高 (TRL 8-9)
缺点：
- 与 PEM 电解相比，反应速度较慢
- 工作温度更高 (70-100°C)，会导致更高的能耗
- 由于运行参数不同，难以与现有系统集成
SOEC（固体氧化物电解槽）：
SOEC 代表固体氧化物电解槽，是指以固体氧化物为电解质，在高温下将水转化为氢气和氧气的高温电解槽。
优势：
- 工作温度高 (800-1000°C)，效率高，热回收率高
- 灵活使用不同燃料（例如蒸汽、二氧化碳）
缺点：
- 工作温度高，需要昂贵的材料和特殊隔热材料
- 启动缓慢，适应不同负载较慢
- 尺寸较大，系统集成复杂
- 缺乏大规模运营经验
AEM 电解（阴离子交换膜）：
AEM 代表阴离子交换膜，是指一种电解槽技术，它使用可以渗透负离子的特殊膜，利用电流将水分离成氢气和氧气。
优势：
- 与 PEM 电解相比，成本更低
- 可抵御水中污染物
- 在较低温度（约 60-80°C）下运行
缺点：
- 与 PEM 和碱性电解相比，开发程度和商业化有限
- 存在膜长期稳定性不佳的潜在挑战
- 无可用大型装置，技术成熟度低。