從“有”到“精”

電解水制氫純化系統(tǒng)

關(guān)鍵技術(shù)剖析

引言

氫氣純化——綠氫價(jià)值鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型，氫能作為清潔、高效的二次能源載體，正受到日益廣泛的關(guān)注。在眾多制氫技術(shù)中，電解水制氫因其過程零碳排放、產(chǎn)品純度高等優(yōu)勢(shì)，被視為實(shí)現(xiàn)綠色氫能規(guī)模化生產(chǎn)的核心路徑。根據(jù)市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)，未來幾年全球電解制氫市場(chǎng)將保持高速增長。然而，從電解槽產(chǎn)生的粗氫氣中含有多種雜質(zhì)，必須經(jīng)過純化處理才能滿足燃料電池、電子工業(yè)等高附加值應(yīng)用的需求。因此，高效、經(jīng)濟(jì)的純化技術(shù)已成為電解水制氫產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響氫氣的最終品質(zhì)和使用安全。

1、氫氣純化的必要性

從雜質(zhì)來源到應(yīng)用要求

電解水制氫過程中，氫氣中的雜質(zhì)主要來源于電解液揮發(fā)、水汽攜帶、微量氧氣以及系統(tǒng)材料腐蝕等途徑。這些雜質(zhì)對(duì)氫氣后續(xù)應(yīng)用的危害不容忽視。例如，在電子工業(yè)中，氫氣被用于半導(dǎo)體元件的還原氣氛處理，任何微量雜質(zhì)都可能引入缺陷，導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。更為嚴(yán)重的是，氧氣與氫氣在特定濃度范圍內(nèi)會(huì)形成爆炸性混合物，直接威脅使用安全。

不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)氫氣純度有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。一般工業(yè)用氫的純度要求通常在99.9%以上；在高端電子制造領(lǐng)域，甚至要求氫氣純度不低于99.9999%。因此，根據(jù)電解技術(shù)路線和最終用途，選擇合適的純化方案至關(guān)重要。純化系統(tǒng)不僅需要確保產(chǎn)品氣的純度，還需兼顧能效比、運(yùn)營成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重指標(biāo)。

2、主流純化技術(shù)原理與性能分析

（1）變壓吸附技術(shù)(PSA)

變壓吸附技術(shù)基于吸附劑對(duì)雜質(zhì)組分在不同壓力下的吸附容量差異實(shí)現(xiàn)分離提純。該技術(shù)采用4~12塔切換循環(huán)操作方式，通過吸附、降壓、脫附、升壓的循環(huán)工藝實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。PSA技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其適應(yīng)性廣和自動(dòng)化程度高，能夠處理各種來源的粗氫氣。特別是在大規(guī)模制氫場(chǎng)景中，PSA展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性。然而，該技術(shù)對(duì)進(jìn)料氣的預(yù)處理要求較高，且存在氫氣回收率與產(chǎn)品純度之間的權(quán)衡問題——提高產(chǎn)品純度通常會(huì)導(dǎo)致更多的氫氣損失。

（2）膜分離技術(shù)

膜分離法是一種很有前途的生產(chǎn)超純氫氣的技術(shù)，具有操作靈活、能源效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、環(huán)境友好、運(yùn)行成本低以及與現(xiàn)有工業(yè)化工藝簡(jiǎn)單集成等優(yōu)點(diǎn)。膜分離法的基本原理是通過膜選擇性滲透和擴(kuò)散特定氣體組分的特性，達(dá)到分離和純化氣體的目的。

（3）深冷分離技術(shù)

深冷分離是一種基于沸點(diǎn)差異的低溫精餾工藝，通過氣體液化實(shí)現(xiàn)組分分離。該方法適用于原料氣中氫氣含量較低的工況，該技術(shù)可獲得90%-98%純度的氫氣，主要優(yōu)點(diǎn)是收率高達(dá)98%左右，但其低溫操作特性導(dǎo)致設(shè)備投資高，壓縮、冷卻能耗大，工藝裝置操作彈性較低，限制了其應(yīng)用范圍。

（4）變溫吸附技術(shù)(TSA)

變溫吸附技術(shù)依據(jù)吸附劑平衡吸附容量隨溫度升高而降低的特性，通過常溫吸附、升溫脫附實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)分離。該技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單、投資成本低、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品純度優(yōu)越，且吸附劑使用壽命長。但由于再生過程中加熱和冷卻緩慢，需數(shù)小時(shí)甚至更長時(shí)間，故不適用于雜質(zhì)濃度較高的原料氣處理。

（5）金屬氫化物純化技術(shù)

該技術(shù)利用儲(chǔ)氫材料對(duì)氫氣的選擇性吸收特性，通過金屬與氫氣的可逆化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣的純化與儲(chǔ)存。金屬氫化物法可獲得99.9999%以上的超高純度氫氣，具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)勢(shì)，是最具潛力的高純氫制備技術(shù)之一，其兼?zhèn)鋬艋c儲(chǔ)存兩種功能，通常被廣泛應(yīng)用于氫氣的儲(chǔ)存和凈化領(lǐng)域。然而，其氫處理量較小、成本較高且存在回收率問題，限制了規(guī)模化應(yīng)用。

（6）催化脫氧技術(shù)

催化脫氧技術(shù)采用鈀系催化劑，通過氫氣與氧氣反應(yīng)生成水的方式去除氧雜質(zhì)。該技術(shù)基于2H? + O? → 2H?O反應(yīng)原理，具有催化劑用量少、催化活性高、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備成本低且操作簡(jiǎn)便。其主要缺點(diǎn)在于催化劑易發(fā)生中毒現(xiàn)象，需配合后續(xù)吸附干燥工藝去除反應(yīng)生成的水分。

3、電解水制氫純化工藝

電解水氫氣純化部分主要有催化脫氧系統(tǒng)和吸附干燥系統(tǒng)組成，設(shè)置催化脫氧器、干燥器、再生氣水分離器、再生氣加熱器等設(shè)備和各種閥門，以及檢測(cè)、控制用的現(xiàn)場(chǎng)指示儀表和遠(yuǎn)傳儀表等。

氫氣純化系統(tǒng)一般采用三臺(tái)干燥器輪流工作，采用產(chǎn)品氣再生方式，不僅干燥程度高，而且沒有再生氣的損耗。具體工藝流程包括：

催化脫氧系統(tǒng)：含氫氣在鈀系催化劑作用下，氧氣與氫氣在常溫下生成水

冷卻分離系統(tǒng)：采用低溫水將氫氣冷卻，使水分冷凝分離

吸附干燥系統(tǒng)：采用活性氧化鋁和分子篩復(fù)合床層進(jìn)行變溫吸附脫水

4、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來展望

當(dāng)前技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管電解水制氫純化技術(shù)已取得長足進(jìn)步，但在走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的過程中仍面臨多重挑戰(zhàn)：

系統(tǒng)集成與能效優(yōu)化是純化技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)。純化過程本身消耗能量，會(huì)增加制氫的綜合成本。特別是在波動(dòng)性可再生能源作為電力來源的場(chǎng)景下，純化系統(tǒng)需要具備快速響應(yīng)和寬負(fù)荷運(yùn)行能力。

成本控制是另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。對(duì)于變溫吸附系統(tǒng)，吸附劑的壽命和再生能耗直接影響運(yùn)營成本；而鈀膜純化技術(shù)中昂貴的鈀系催化劑占據(jù)了初始投資的大部分。在保證純化效果的前提下，通過材料創(chuàng)新和流程優(yōu)化降低綜合成本，是純化技術(shù)推廣的必由之路。

未來發(fā)展方向

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，電解水制氫純化技術(shù)正朝著高效化、低成本化和智能化方向演進(jìn)：

新型純化材料的開發(fā)是基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。開發(fā)高選擇性吸附劑、復(fù)合膜材料以及高效催化劑等，可以顯著提升純化效率和降低能耗。

流程創(chuàng)新與系統(tǒng)優(yōu)化同樣至關(guān)重要。通過優(yōu)化純化序列、集成多種純化單元、開發(fā)新型工藝，可以實(shí)現(xiàn)更低的能耗和更高的回收率。例如，將變溫吸附與其他純化技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)性。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來也可能通過植入傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)純化效率，利用大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)吸附劑壽命，結(jié)合自適應(yīng)控制算法優(yōu)化操作參數(shù)，可顯著提升純化系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)語

電解水制氫純化技術(shù)作為連接制氫與用氫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。

未來電解水制氫純化技術(shù)將更加注重全鏈條協(xié)同優(yōu)化，從材料、工藝到系統(tǒng)集成多個(gè)層面尋求突破。同時(shí)，隨著標(biāo)準(zhǔn)化體系的完善和人工智能技術(shù)的發(fā)展，純化系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性將得到進(jìn)一步提升。只有通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同，電解水制氫純化技術(shù)才能更好地支持綠色氫能規(guī)模化發(fā)展，為全球能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

參考文獻(xiàn)：

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