如何降低電解水制氫成本,加速其工業(yè)化應(yīng)用?
5月13日,據(jù)浙江大學(xué)新聞辦的消息,浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽(yáng)研究員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一種單原子OER(一種生成氧氣的反應(yīng))催化劑,能使電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)更加高效,從而提升氫氣制備的效率,這種新型催化劑可降低80%的制氫成本。
氫被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”,高效廉價(jià)制取成為氫能市場(chǎng)化的關(guān)鍵一環(huán)。尤其是在氫能汽車(chē)的發(fā)展中,若想氫燃料
電池車(chē)走進(jìn)“尋常百姓家”,氫作為原材料的制取可行性至關(guān)重要。
2017年,國(guó)際氫能委員會(huì)發(fā)布的首份《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》指出,到2050年,通過(guò)更大規(guī)模的普及,氫能源將占整個(gè)能源消耗量的大約20%,全年的二氧化碳排放量能夠較現(xiàn)在減少約60億噸。
電解水制氫技術(shù)頻頻突破
氫氣從哪來(lái)?主要的技術(shù)方式包括傳統(tǒng)能源的化石原料制氫法、化工原料制氫法、工業(yè)尾氣制氫法、電解水制氫法以及新型制氫技術(shù)等�,F(xiàn)階段,我國(guó)主要用來(lái)制氫的方法是化石燃料制氫法。
中信證券一份研究報(bào)告指出,我國(guó)是世界上最大的氫氣生產(chǎn)和消耗國(guó)家,約占全球30%。2018年全國(guó)工業(yè)制氫約2500萬(wàn)噸,其中化石燃料制氫約占65%,工業(yè)副產(chǎn)氫約24%,電解水約占1%。
理論上來(lái)講,通過(guò)水裂解產(chǎn)生氧氣,進(jìn)而形成氫氣,是最常見(jiàn)的氫氣制備方法,但其產(chǎn)生的電/光電催化析氧反應(yīng)(OER),會(huì)限制整體的能量轉(zhuǎn)換效率。因此,研制出廉價(jià)而又高效的催化劑,成為電解水制氫推廣的關(guān)鍵。
常用的氧析出商用催化劑是二氧化銥,但銥每克的價(jià)格接近黃金的兩倍,通過(guò)二氧化銥制氫的成本高出轉(zhuǎn)化為相同能量所需的汽油成本。另一種可作為催化元素的釕金屬更便宜,但在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性環(huán)境中,二氧化釕在高的工作電位下極易被氧化為四氧化釕,失去催化活性。
不久前,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授課題組運(yùn)用創(chuàng)新工藝,研制出一種新型的釕單原子合金催化劑,向推進(jìn)“電解水制氫”的工業(yè)化應(yīng)用邁出重要一步。這一成果被選為今年4月《自然-催化》(學(xué)術(shù)雜志《自然》的子刊)的封面文章。
在氫能領(lǐng)域,這并非近期唯一的科學(xué)突破。
據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》4月1日?qǐng)?bào)道,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所韓洪憲研究員和李燦院士團(tuán)隊(duì)與日本理化學(xué)研究所合作,研發(fā)出一種可在強(qiáng)酸條件下電解水制氫的長(zhǎng)壽命廉價(jià)催化劑。
前述浙江大學(xué)的成果,是通過(guò)仿生學(xué)的方法,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一種單原子OER催化劑,將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上,用于高效電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)。這項(xiàng)成果被知名學(xué)術(shù)雜志《自然通訊》(Nature Communications)在線報(bào)道。
氫能汽車(chē)燃料成本或大降
為什么需要電解水制氫?
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的一份研究報(bào)告指出,目前煤氣化制氫和天然氣重整制氫,相對(duì)于石油售價(jià)已經(jīng)存在利潤(rùn)空間。但用化石燃料制取氫氣不可持續(xù),不能解決能源和環(huán)境的根本矛盾,并且碳排放量高,對(duì)環(huán)境不友好。電解水制氫是可持續(xù)和低污染的,隨著電價(jià)下降和技術(shù)發(fā)展、規(guī)�;�(yīng),電解水產(chǎn)業(yè)即將興起。
在氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展頻頻迎來(lái)政策利好的當(dāng)下,工業(yè)級(jí)電解水制氫的技術(shù)突破對(duì)氫能汽車(chē)有何影響?
浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽(yáng)研究員表示,新一代燃料電池汽車(chē)對(duì)高能量密度提出重要需求,水裂解產(chǎn)生的氫氣能源將發(fā)揮重要作用。這項(xiàng)成果展現(xiàn)了工業(yè)級(jí)電解水制氫的潛能,或?qū)⒅π乱淮鷼淠芷?chē)大規(guī)模降低燃料成本。
當(dāng)前,成本是制約電解水制氫走向大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)主要阻礙因素。卓創(chuàng)資訊分析師房明告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者,電解水制氫的成本大約是每立方米3-4元。假如真的可以降低80%的成本,相比其他方式制氫1-2元每立方米的價(jià)格更低,當(dāng)然會(huì)成為一種十分理想的選擇。
不止是高校和科研機(jī)構(gòu),企業(yè)也瞄準(zhǔn)了電解水制氫降成本的方向。
深圳一家燃料電池汽車(chē)研發(fā)企業(yè)的負(fù)責(zé)人向記者透露,公司今年不久前向廣東省科技廳申報(bào)了一項(xiàng)快速電解水制氫的新技術(shù)。“新技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì),一是速度快,一小時(shí)大概可以制備20公斤氫氣;二是成本更低。”
這位負(fù)責(zé)人表示,電解水制氫純度高、雜質(zhì)少,重整和裂解制的氫,純度和含硫量都不能滿(mǎn)足燃料電池。一旦含硫量太高,對(duì)燃料電池的損害會(huì)極大,而在提純工藝這一塊,檢測(cè)微量元素的設(shè)備中國(guó)還沒(méi)有自主生產(chǎn)。
國(guó)鴻氫能常務(wù)副總經(jīng)理張哲軍告訴記者,現(xiàn)在國(guó)家支持氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的方向已經(jīng)非常明朗,各界的熱情都比較高,在積極推動(dòng)做一些事情。
張哲軍表示,各地的情況不一樣,有的地方煤炭、天然氣豐富,有的地方工業(yè)副產(chǎn)氫就已經(jīng)足夠,有的地方棄電嚴(yán)重,用電成本更低,這導(dǎo)致制氫的方式選擇會(huì)不一樣。
“隨著氫能汽車(chē)的生產(chǎn)更加規(guī)模化,如果電解水制氫的成本大幅降低,這會(huì)成為一種主流的方式。”張哲軍說(shuō)。
(責(zé)任編輯:子蕊)