制氫與分布式氫能動力系統(tǒng)的結(jié)合

制氫與分布式氫能動力系統(tǒng)的結(jié)合

1生物質(zhì)制氫技術(shù)中國西部擁有豐富的自然能源，包括石膏和可支配能源資源。大力開發(fā)利用可再生能源,不僅可緩解西部邊遠(yuǎn)地區(qū)能源特別是電力短缺問題,提高人民生活質(zhì)量,而且可從源頭上與生態(tài)環(huán)境的改善結(jié)合,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),為經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做貢獻(xiàn)?？稍偕茉疵芏鹊?、不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨時間、季節(jié)和氣候等變化而變化等缺點(diǎn)阻礙了它的低成本高效益大規(guī)模開發(fā)利用。氫具有無污染、可儲存、可運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能,并與先進(jìn)的氫能動力系統(tǒng)相結(jié)合,可為解決可再生能源利用中所遇到的困難提供理想途徑。目前已知的可再生能源制氫方法主要包括:(1)利用可再生能源發(fā)電與富余電力電解水制氫;(2)太陽能光電化學(xué)直接分解水制氫;(3)太陽能高溫集熱及熱化學(xué)復(fù)合方法分解水制氫;(4)生物質(zhì)的熱化學(xué)或生物化學(xué)氣化制氫;(5)利用生理代謝過程產(chǎn)生分子氫的微生物制氫。利用太陽能分解水制氫,氫作為能源使用經(jīng)氧化放出能量后還原為水,是一種無害的良性循環(huán),如能高效低成本地利用太陽光和水制氫,則可永久性解決人類能源供給問題。生物質(zhì)是自然界最好的太陽能捕集器。實(shí)現(xiàn)高效、低成本的生物質(zhì)制氫,亦可為人類提供長期、穩(wěn)定的能源供給。針對我國西部特點(diǎn),發(fā)展速生高效能源作物種植農(nóng)業(yè)及利用生物質(zhì)制氫,可在改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時,解決西部地區(qū)能源供應(yīng)問題。兩者都可以實(shí)現(xiàn)能源的完全可持續(xù)開發(fā)和利用,值得大力研究發(fā)展。下面重點(diǎn)闡述這兩種在國際上受到高度重視、發(fā)展前景良好的可再生能源制氫方法的研究狀況,并對氫能動力系統(tǒng)及其發(fā)展前景作簡要介紹。2可提取的氫能源2.1光催化劑分解水制氫技術(shù)的發(fā)展自1972年Fujishima和Honda在《Nature》雜志上發(fā)表TiO2電極光催化可將水分解為氫氣和氧氣的結(jié)果以來,光催化研究受到世界上各國的廣泛重視,西方發(fā)達(dá)國家投入了大量的資金和力量開展研究,使光催化科學(xué)研究得到迅速發(fā)展。30多年來已逐步形成太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化光催化和環(huán)境光催化兩大類。迄今,人類已知的借助光電過程用太陽光分解水制氫的途徑主要有:(1)光電化學(xué)法;(2)均相光助絡(luò)合法;(3)半導(dǎo)體光催化法。其中將TiO2或CdS等光敏性半導(dǎo)體微粒直接懸浮在水中進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)分解水制氫的半導(dǎo)體光催化方法最經(jīng)濟(jì)、清潔、實(shí)用而富有前途。理論和實(shí)驗證明利用太陽能光催化分解水是完全可行的,但實(shí)際中還有很多困難。迄今人們發(fā)現(xiàn)和研制的光催化劑大多僅在紫外光區(qū)穩(wěn)定有效,而紫外光僅占太陽光總能譜的不足5%。能夠在可見光區(qū)使用的光催化劑幾乎都存在光腐蝕,需使用犧牲劑進(jìn)行抑制。尋找和制備高效穩(wěn)定低成本的可見光催化劑是太陽能半導(dǎo)體光催化分解水制氫技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。2001年《Science》雜志上連續(xù)報道了可見光催化劑研究方面所取得的一系列重要進(jìn)展,其中Asahi等人采用在TiO2中摻雜氮的方法形成化合物TiO2-xNx使TiO2的吸收光譜移入可見光區(qū)(λ<500nm),并具催化活性,為新型可見光催化劑合成研究帶來新的希望。Linkous等人在美國能源部氫能計劃資助下設(shè)計了一種以Z型光催化體系為基礎(chǔ)的雙床反應(yīng)體系,采用不同的光催化劑使還原反應(yīng)床產(chǎn)氫而氧化反應(yīng)床產(chǎn)氧,并在體系中加入一定的氧化還原介質(zhì)使整個體系處于流動聯(lián)通狀態(tài)以保證體系的電中性,這不僅有效地阻止了氫與氧的復(fù)合,也使光生電荷與空穴有效分離,在較長波長下實(shí)現(xiàn)了光分解水制氫,提高了太陽能的利用效率,給新型光功能反應(yīng)器的設(shè)計提供了新的思路。進(jìn)一步發(fā)展的方向主要是:(1)探索改變已知半導(dǎo)體光催化劑的制備或改性處理與表面修飾方法,提高光生電子-空穴的分離效率,抑制電子空穴的重新結(jié)合,以提高光催化劑的本征量子效率;(2)合成新型可見光催化劑和特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合光催化劑以實(shí)現(xiàn)可見光區(qū)的高效光催化反應(yīng);(3)研究構(gòu)建高效光催化反應(yīng)體系,如Z型光催化反應(yīng)體系與雙床光催化體系等雙光系統(tǒng)。急待解決的關(guān)鍵問題有:(1)揭示各種光催化劑分解水的機(jī)理及其催化活性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,指導(dǎo)新型高效催化劑的合成;(2)建立輻射能量衡算式,確定多相光催化反應(yīng)體系中輻射能量傳遞及分布的規(guī)律以指導(dǎo)高效光催化反應(yīng)器的設(shè)計;(3)探索最佳反應(yīng)條件及優(yōu)化光催化反應(yīng)體系。2.2超臨界水催化氣化生物質(zhì)制氫方法可分為三類,即生物質(zhì)熱化學(xué)氣化法;生物質(zhì)液化后再轉(zhuǎn)化制氫法;微生物化學(xué)分解法,包括微生物厭氧消化、發(fā)酵及新陳代謝法等。熱化學(xué)氣化法在效率、成本、規(guī)模化等方面更有優(yōu)勢,其中尤以超臨界水氣化方法在氣化效率、產(chǎn)品品質(zhì)及環(huán)境友好性等方面更為優(yōu)越。1977年美國MIT的Modell最先報道了木材在超臨界水中氣化的研究,并于1978年獲得了發(fā)明專利,隨后美國夏威夷大學(xué)HENI的Antal等持續(xù)開展了更為系統(tǒng)深入的研究,并提出生物質(zhì)的超臨界水氣化制氫的新構(gòu)想。在超臨界水中進(jìn)行生物質(zhì)的催化氣化,生物質(zhì)氣化率可達(dá)100%,產(chǎn)物中氫氣的體積百分含量甚至可超過50%,反應(yīng)不生成焦油、木炭等,不會造成二次污染。對于含水量高的濕生物質(zhì)可直接氣化,不需高能耗的干燥過程。除Antal課題組外,國際上正在進(jìn)行超臨界水生物質(zhì)氣化制氫研究的主要單位還有美國能源部太平洋西北實(shí)驗室(PNL)的Elliott課題組與日本國立資源與環(huán)境研究所(NIRE)的Minowa課題組等,他們的研究結(jié)果揭示了不同的生物質(zhì)原料及反應(yīng)條件對氣化作用的影響規(guī)律。在美國能源部氫能項目的資助下GeneralAtomics公司正在努力將超臨界水生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)推向大規(guī)模中試及工業(yè)化應(yīng)用。該領(lǐng)域進(jìn)一步研究的方向是:(1)探索研究濕生物質(zhì)超臨界水氧化與氣化制氫過程中的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)路徑和反應(yīng)動力學(xué)的精確確定與選擇性氣體生成控制技術(shù);(2)研究各種催化劑的催化機(jī)理,尋找及制備高效、長壽、低成本的催化劑及其支撐材料;(3)研究和設(shè)計高濃度生物質(zhì)混合液的超臨界水催化氣化反應(yīng)系統(tǒng),獲取典型生物質(zhì)的氣化及各種因素的影響規(guī)律、碳平衡以及有機(jī)物破壞率等的數(shù)據(jù),確定最佳反應(yīng)條件;研究尋找系統(tǒng)工業(yè)放大的準(zhǔn)則。尚需解決的關(guān)鍵問題有:(1)反應(yīng)中間產(chǎn)物的分離與分析測量;(2)高濃度生物質(zhì)混合液的高壓多相混輸;(3)連續(xù)式反應(yīng)器器壁的結(jié)渣、腐蝕與防護(hù)等。近年來我們在上述兩個方向上持續(xù)開展了一系列的理論和實(shí)驗研究工作,研制成功了超臨界水中生物質(zhì)催化氣化制氫、太陽能半導(dǎo)體光催化分解水制氫的實(shí)驗裝置,建成配套的化學(xué)反應(yīng)與分析實(shí)驗室。在生物質(zhì)的超臨界水催化氣化制氫方面已基本實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)模型化合物、原始生物質(zhì)鋸屑的完全氣化實(shí)驗,獲得了最佳反應(yīng)條件和操作參數(shù)及其對氣化結(jié)果的影響規(guī)律。在半導(dǎo)體光催化分解水制氫方面,已經(jīng)在紫外光區(qū)獲得好于文獻(xiàn)報道的結(jié)果,對新型可見光催化劑和高效可見光多相催化反應(yīng)體系的研究也展現(xiàn)較好的前景,目前正組織力量積極攻關(guān)。3分布式氫能動力系統(tǒng)的研究廣義的氫能動力系統(tǒng)可以指從氫能生產(chǎn)、儲運(yùn)、到最終使用裝置的各種氫綜合能源動力體系。以太陽能半導(dǎo)體光催化分解水制氫、超臨界水中生物質(zhì)氣化制氫等為代表的可再生能源高效制氫技術(shù),以納米碳儲氫、高溫合金儲氫等為代表的高效儲氫技術(shù)以及以各種燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)等為代表的氫能利用技術(shù)等都是當(dāng)前氫能動力系統(tǒng)構(gòu)成部件研究中的熱點(diǎn)問題。更為重要的是要創(chuàng)造、設(shè)計出新的氫能動力循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成,提出科學(xué)合理的系統(tǒng)分析與評價的標(biāo)準(zhǔn)(包括能量傳遞、環(huán)境影響分析評價與綜合資源、能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)一體化評價體系)等,建立氫能源-動力循環(huán)系統(tǒng)模型與優(yōu)化準(zhǔn)則?；诳稍偕茉粗茪涞姆植际綒淠軇恿ο到y(tǒng),可從根本上解決可再生能源能流密度低,穩(wěn)定性、連續(xù)性差以及系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行困難等難題,同時可根據(jù)需要機(jī)動靈活地將氫能轉(zhuǎn)化為電能、機(jī)械能、熱能及化學(xué)能等供人們使用。這種系統(tǒng)可以利用至今尚未有效利用起來的可再生能源資源,克服西部偏遠(yuǎn)地區(qū)能源電力的難于輸送與供應(yīng)不足等困難,加快邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)人民脫貧致富的步伐。同時也有利于建立我國可持續(xù)發(fā)展的能源供應(yīng)體系,將分布式氫能動力系統(tǒng)與工業(yè)大電網(wǎng)有效結(jié)合,構(gòu)建”打不爛的電網(wǎng)”,保證國家安全與社會安定。4其他方面的研究新型氫能動力系統(tǒng)的研究無疑將成為21世紀(jì)能源科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向,高效、低成本地實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫是建立可持續(xù)發(fā)展氫能動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。以太陽光為能源用半導(dǎo)體光催化方法直接分解水制氫以及以生物質(zhì)為原料利用超臨界水催化氣化制氫這兩種方法,具有突出的優(yōu)勢和良好的工業(yè)應(yīng)用前景,已被國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)的Agre