碳中和背景下先进制氢原理与技术研究进展

摘要

在全球大力倡导"碳中和"的背景下,发展高能效、低成本、零排放的先进可再生能源电解制氢技术将成为实现"碳中和"的关键。然而,当前化石能源制氢技术仍处于主流地位,具有成本低的优势,但存在固有的碳排放,而利用可再生能源电解水制氢则被认为是未来氢能的技术路线,近年来,主流的碱性电解制氢技术发展迅速,有望在可再生能源价格持续下降的趋势下,大幅降低其制氢成本。本文将对化石制氢和电解水制氢技术的发展背景、技术现状和前沿发展方向等进行总结、思考及探讨。针对化石燃料制氢,阐述天然气重整制氢与煤气化制氢的发展路径,评价新型化学链制氢技术在降低化石制氢碳排放上的潜力;针对电解水制氢技术,系统评估4种主流电解水路线,即碱性电解水制氢、阴离子交换膜电解制氢、质子交换膜电解制氢以及固体氧化物基电解制氢的技术特点,并对碱性电解水高温高压热力学优化、KOH高温固化以及固态复合电解质开发等电解水技术新发展做出详细的评述。在此基础上,分析未来氢能应用场景的发展方向,认为海水制氢是未来大规模氢能系统的核心,深入分析海水制氢所面临的析氯腐蚀挑战、热力学机理、低氯选择性析氧催化剂开发等关键原理与技术,并提出相关发展建议,以期促进氢能技术发展。

关键词

氢能 / 海水制氢 / 碳中和 / 低碳技术 / 固体氧化物电解池

基金资助

国家自然科学基金项目（52006150）; 广东省珠江人才计划引进创新创业团队项目（2019ZT08G315）; 深圳市科技计划项目（JCYJ20210324093008021）