探究制氢技术的现状及发展前景

赵腾飞 张伟 闫毅华

摘要：现阶段制氢技术已被广泛应用在各领域生产制作环节，制氢技术应用效果可直接影响到各类产品生产质量。现阶段电子技术可分为石化能源制氢技术、非石化能源制氢技术等，此些制氢技术的应用流程及生产效果不一致。本文就基于此，分别阐述石化能源制氢技术与非石化能源制氢技术生产流程，提出制氢技术发展前景，以供参考。

关键词：制氢技术;现状;发展前景

前言

当前社会经济发展与化石燃料稀缺的矛盾问题日渐突出，为最大限度提升清洁性能源应用效果，还需要着重关注能源生产及开发环节的优化工作。氢气具备能量密度高、热转化效率强、燃烧期间污染物排放量低等优势。为充分发挥出氢气能源的应用积极性，还需要对现有制氢技术应用情况进行细致剖析，不断优化制氢流程，切实保障制氢生产效果。

1、化石能源制氢技术

化石能源制氢技术可分为天然气制氢、焦炉气制氢两种方式。天然气制氢主要就是借助高压高温环境，使天然气内烷烃与水蒸气在催化剂作用下发生充分的化学反应，再经过沸锅换热后，气体中的一氧化碳会转化为氢气与二氧化碳。而后配合换热、冷凝、汽水分离手段，将获得的气体收集在吸附剂的吸附塔中，配合使用变压吸附手段提取氢气产品[1]。通过在该生产环节增加天然气加压脱硫过程，水蒸气在装填期间会进行重新转化与分解，生成氢气、二氧化碳、一氧化碳气体。再将气体经过热量回收之后，气体中的一氧化碳含量发生变化，而后配合使用变压吸附方式获得体积分数为99%至99.9%的氢气。

焦炉气制氢技术主要就是借助煤焦化过程，获得可燃性气体，配合使用变压吸附方式将气体进行高效分离。此种方式所需成本较低，应用范围较大。在焦炉气制氢过程中，需要将焦炉煤气加压至0.58MPa，冷却至40～45℃后进行去水、去郊游，去焦油、去苯等方式。通过变压吸附脱硫脱碳工序，去除煤气中的其他物质，获得半成品氢气。半成品氢气还需要经过复式压缩机加压到1.25MP a，经过变压吸附提氢工艺，提取体积分数为99.9%以上的氢气。

2、非化石能源制氢技术

2.1水制氢技术

使用氢化物水解制氢手段，配合使用添加各类金属离子氢化物，在常温环境下使金属离子发生水解反应要获得氢气。使用电解水制氢，水分子在阳极分解为氢离子与氢氧根离子。氢离子获得电子生成氢原子并形成氢分子，氢氧根离子在阳极与阴极的电场共同作用下穿过电解质膜，最终到达阳极，使阳极失去电极生成水分子及氧分子。

光解水制氢技术主要就是依据光辐射在半导体上的原理，在辐射能量大于或等于半导体禁带宽度情况下，半导体内的离子会受激发作用从价带跃迁到导带，引发电子与空穴的分离现象。半导体不同位置会将水还原成氢气或者水化氧。

2.2流體燃料制氢技术

使用甲醇重整制氢手段，在传统催化作用要求下，大气压力及温度较低，可以采用接地等离子方式直接分解甲醇反应[2]。在甲醇体积为30.0%的情况下，甲醇转化率及氢产出率可达到62.2%与30.8%。

使用乙醇制氢手段，从根本上提升氢气释放量。配合使用多孔不锈钢支撑的铂基膜反应装置，氢气产出率为40%。

使用生物油重整制氢手段。在制氢过程中，借助催化剂的作用可以使生物油与水蒸气发生重整反应，生成一氧化碳与氢气，可以有效控制氢气生产过程中的能源消耗量，采用接地等离子直接分解甲醇反应。

2.3生物制氢技术

借助有机废水废弃物开展制氢工作，取经过处理后的厌氧污泥装入玻璃反应器中，加入培养液与一定剂量的啤酒废水开展制氢试验。结果发现在试验温度控制在35℃的情况下，比产氢速率、氢气产量以及总糖降解率均可达到最大值。

生物制氢期间也可使用微藻制氢技术，为裂解水做最终电子供体。由于蓝藻类有可能参与氢气代谢的固氮酶、吸氢酶以及双向氢酶，可以在反应期间生成氢气，实际产出效率良好。

配合使用生物及生物发酵技术开展制氢生产工作，通过培育暗发酵与光发酵生物，保障生物制氢产量。使用牲畜堆肥作为天然产氢菌源，玉米芯作为底物，借助厌氧发酵方式产出氧气，获得最大产氢量以及产氢速率值。

2.4核能制氢技术

将核能作为氢气生产期间的重要产热原料，切实满足制氢技术应用要求。配合使用核反应器热流动方式，使制氢生产期间的热量需求能够得到根本上满足。

2.5波力制氢技术

波力制氢技术是一种低成本的制氢技术手段，系统应用期间的造价较低，制氢生产效率高。在使用光伏电池与电解水相结合的技术手段时，制氢成本将进一步降低，并可同时产出高质量氧气。

3、制氢技术发展前景

通过分析现阶段制氢技术，发现制氢技术始终朝向提高制氢效率、控制制氢成本方向转变[3]。基于制氢生产经验，发现可再生能源已被广泛应用在制氢环节，石化燃料制氢技术也在节约成本方面获得了较大进展。对比不同制氢装置设备投资费用以及装置运行大小关系，发现甲烷蒸汽转化制氢技术的设备投资量最小。对于处于研发阶段的新型制氢技术而言，其运行期间的设备投资费用仍处于估算阶段。

基于全球制氢生产现状，发现氢气生产行业仍然会以多种制氢技术并存的格局发展。天然气蒸汽转化技术与生物制氢技术将会成为主要制氢方式。

为推动社会可持续发展进程，生物质与太阳能成为当前制氢生产重要发展方向。现阶段生物质制氢效率进一步增长，制氢成本得到极大程度改善，生物制氢手段的应用前景将更为广阔。同时，太阳能制氢技术也会成为未来氢气生产行业中的重要主导者，借助太阳能提升制氢效率，控制制氢生产期间的污染物排出量，确保制氢生产行业能够始终趋向于绿色环保方向发展。

总结：总而言之，通过分析不同制氢生产技术，发现保障制氢效果，提高制氢纯度，减少制氢生产期间的一氧化碳与二氧化碳排放量依旧是当前制氢行业重要发展难题。为满足各领域日渐增长的氢需求量，还需对现有制氢技术手段进行不断优化，着重关注制氢期间物质利用率的提升，确保制氢技术能够更好实现节能环保目标。

参考文献：

[1]王昊. 制氢技术现状分析及发展[J]. 化工设计通讯，2018，44（11）：187-188.

[2]黄格省，阎捷，师晓玉，卢红，鲜楠莹. 新能源制氢技术发展现状及前景分析[J]. 石化技术与应用，2019，37（05）：289-296.

[3]孙鹤旭，李争，陈爱兵，张岩，梅春晓. 风电制氢技术现状及发展趋势[J]. 电工技术学报，2019，34（19）：4071-4083.