DOE最新制氢战略重点和挑战

2024-05-11 17:11

以下文章来源于氢眼所见 ,作者马震

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氢气生产的总体战略框架解决了近期、中期和长期清洁氢气途径的研发问题,如下图1所示。该项目与其他HFTO(氢和燃料电池技术办公室)子项目密切协调,以发展氢能的战略重点。

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图1:指导制氢研发的战略重点

近期重点为研发提升电解槽技术的经济、效率和耐久性,与可再生或核电结合,为各部门提供低成本清洁氢。此外,寻求电解外的创新方法,如 PEC、热化学太阳能水分离和微生物辅助氢转化。下文将详细介绍该次级计划如何通过研发工作支持近期和长期的清洁制氢技术优先事项。

一、战略重点

1、近期:电解水

电解槽利用下图2所示的基本电化学过程用电从水中产生氢气。导电阴极和阳极由离子导电电解质分离;外加的电分别在阴极和阳极驱动催化辅助的氢和氧释放半反应,这是通过电解质离子传输耦合的。最终的结果是进入系统的水分子分裂成氢气和氧气。

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图2:电解槽:输入水和电;输出H2和O2气体

下图3所示,电解槽系统由电解槽(一组单独的电解槽)和BOP组成,这些设备管理电解槽的输入(电和水)和输出(氢和氧)。

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图3:电解槽系统由多个单独的电解槽和BOP组件组成

目前有许多正在开发的电解槽技术,使用不同的离子导电电解质材料,如液体、固体聚合物膜或固体陶瓷。不同类型的电解槽在不同的温度范围内工作,需要不同的催化剂来促进阳极和阴极反应;电极结构通常由电解质材料的极限和特性决定。这些技术通常根据工作温度分为两类:

低温电解技术,包括:

o 质子交换膜(PEM)电解槽。

o 液体碱性(ALK)电解槽。

o 碱性交换膜(AEM)电解槽。

高温电解技术,包括:

o 氧离子导电固体氧化物电解池(O- soec)电解槽。

o 质子传导固体氧化物电解池(P-SOEC)电解槽。

每一种电解槽技术在性能、耐用性和与清洁电源相结合的成本方面都具有独特的优势和挑战,但有些仍处于早期发展阶段,如下表1所示。对于所有类型的电解槽,通过材料,组件,电堆和系统级别的研发,正在不断改进性能,寿命,成本和规模。

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表1:电解槽技术综述、优势及发展现状
2、长期:先进的技术路径

从近期和长期来看,由清洁电力驱动的电解将是重要的;然而,满足预计的清洁氢需求所需的GW级电解槽设施将需要大规模扩建清洁发电和输电基础设施。作为长期愿景的一部分,清洁氢也可以通过各种新的和先进的途径生产,这些途径只需要很少或不需要电力输入,还可以利用国家多样化的可再生资源和原料。

氢气生产项目正在开发的三类先进途径包括太阳能PEC(光电化学:photoelectrochemical )和STCH(太阳能热化学:Solar thermochemical)水分解,以及生物质和废物流的生物转化,如下图4所示,这些途径代表了在相对较早的发展阶段清洁制氢的新兴长期选择,随着它们的成熟,预计将对脱碳产生局部影响

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图4:清洁制氢的先进途径分类

与能量转移、催化、分离和降解机制等领域的先进途径相关的基础科学研究,特别针对DOE 基础能源科学办公室关于碳中性氢技术基础科学报告确定的优先研究机会。重要的是,从此类研究中获得的基本理解和经验教训也可转移到其他制氢、储存和输送技术(包括电解槽)以及其他清洁能源技术(如清洁合成燃料和产品)的进展中。

氢生产项目正在开发的先进途径的清洁制氢包含三个主要类别,如上图4所示,包括:

PEC:太阳能PEC制氢是一个低温过程,绕过对电力的需求,而是直接利用阳光将水分解成氢和氧。它基于半导体光电极和/或光催化剂,在优化环境下,太阳能制氢效率的理论潜力高达30%。PEC制氢已经在实验室规模上得到了广泛的证明,利用了不同的半导体材料系统和催化剂,早期的规模扩大工作正在进行中。

STCH:直接STCH制氢是另一项有前途的技术,具有实现高理论太阳能到氢转换效率的潜力。STCH工艺可分为两大类:(1)直接循环,利用集中的太阳能热能(温度通常>1000℃)驱动两步金属氧化物还原/氧化反应裂解水;(2)混合循环,使用较低温度的热化学还原(<800℃,与集中太阳能或核能的输入更兼容)加上二次电化学步骤。所有的循环都是一个闭环,只消耗水,产生氢和氧。各种STCH循环已经在实验室规模上得到了证明,只有有限的小型反应堆演示。

生物转化(biological processes):生物转化过程利用微生物消耗和消化生物质和废物流的能力,同时释放氢气。在直接氢气发酵中,微生物自己产生氢气。微生物电解池是一种利用微生物分解有机物产生的能量和质子与额外的小电流结合产生氢气的装置。发酵和微生物电解系统都有可能从生物质或废物流中产生清洁的氢气;然而,集成这两个过程的混合系统可能更有前途,因为每单位原料的氢气产量更高。发酵和微生物电解细胞以及混合系统已经在实验室规模上进行了演示,并正在进行扩大规模的努力。

除了这些类别中涵盖的先进途径技术外,还有其他特别的机会探索电化学,光化学,热化学和/或生物过程的混合方法,以提高从各种国内资源中负担得起的清洁氢气生产的效率和耐用性。比如包括生物质与废物流和/或天然气的CCUS共气化;以及利用天然气或沼气等多种燃料对氢、热、电和/或浓缩二氧化碳进行热和电化学多联产。

二、需要解决的挑战

该项目的综合研发组合解决了所有清洁制氢途径所面临的关键挑战,包括不同的低温和高温电解槽技术以及先进的途径。所有的途径都在不同程度上面临着材料、组件、设备和系统层面的挑战,这些挑战属于资本、安装和运营成本的大类;耐久性和可靠性;效率和表现;生命周期可持续性;制造和扩大规模;和安全。在这些广泛的类别下,每种电解和先进技术路径在材料、组件、设备和系统级别上都面临着独特的挑战。

1、电解路径

电解途径面临的首要挑战是在电解系统中实现GW级的部署和运行,同时满足性能、耐用性和成本要求,同时结合清洁能源发电。一些特定技术的挑战包括:

PEM电解:需要应对的电堆挑战涉及成本高昂和/或对供应链敏感的材料和组件,以及制造和扩大规模;系统面临的挑战包括优化BOP集成,减少安装和其他软成本,以及持续改进动态响应和间歇性操作。具体的事项包括:

o 优化的膜系统,包括多种元素,如膜聚合物、增强剂、自由基清除剂和气体复合催化剂,适用于卷对卷制造等大批量生产工艺。
o 通过减少PGM催化剂负载,采用高通量工艺制造,提高了电极的性能和耐久性;特别关注阳极与减少铱负载。
o 改进的多孔传输层采用可扩展、大批量兼容的精密制造技术制造;优化导电性、热管理、机械支持以及水和氢氧气体的管理,包括在界面上的管理。

o 用于新一代电解槽的先进催化剂、离聚体和膜,特别关注低含量或不含PGM的高性能析氧反应催化剂,以及非全氟磺酸膜和离聚体领域。

液碱性电解:需要解决与增加电流密度和加压条件下的安全操作相关的电堆挑战;系统面临的挑战包括通过电堆和BOP创新来提高动态和间歇作业下的性能和耐久性。

o 先进的电解池与可扩展的制造工艺兼容,包括具有高表面积、高催化活性和高导电性的电极和支撑结构,以提高性能;针对反向电流耐受性和间歇操作进行了优化。

o 通过材料开发和界面工程改进界面(如催化剂/衬底、催化剂/电解质和分离器/电解质),减轻降解并最大限度地减少电压损失,包括在间歇操作期间。

o 改进隔膜,包括定制结构(如孔隙度、厚度)和优化化学、机械和热性能的复合膜。

O-SOEC电解:电堆挑战包括通过热循环提高材料和界面在高温下的耐久性,以及电池架构的可扩展性;系统面临的挑战涉及到整体热管理,以及通过电堆和BOP创新提高动态和间歇作业下的性能和耐久性。

o 与可扩展合成和制造工艺兼容的先进工程材料和界面,解决温度循环下的热应力、Ni粗化和Cr中毒等降解机制。
o 改进电池和堆的热处理工艺,降低制造成本,包括减少高温烧制步骤的数量,降低所需的热处理温度和烧制时间,以及使用新颖、更快的烧结方法。

o 改进互联技术,包括采用高产量、低成本制造技术制造的经济型互联材料。

AEM电解:挑战在于需要稳定的碱性膜、离子、催化剂和长寿命的电极,包括在动态操作下;高效操作,纯水进料,无配套电解质;还有水资源管理。

o 先进的AEM膜,可在60°C以上的预期电堆工作温度下提高电解槽效率和耐久性,包括提高机械稳定性,解决因吸水膨胀和边缘故障而导致的降解问题。

o 无PGM催化剂,取代目前AEM电解槽中的少量PGM催化剂,同时保持效率和耐用性,包括专注于集成到电极中。

P-SOEC电解:挑战涉及质子导电固体氧化物材料和组件的需求,这些材料和组件在低于600°C的工作条件下具有更高的法拉第效率和耐用性,并改善了机械性能;以及低成本、可扩展的合成和制造工艺。

o 改进的电池组件材料,包括质子导电电解质,具有改进的机械性能,并且在电解槽工作温度和蒸汽浓度的目标范围内具有必要的性能、效率和耐用性组合。

在所有的电解技术中也存在系统级的挑战。一个事实是需要专门针对电解槽操作要求设计和优化的低成本电力电子设备。此外,安装和其他软成本,如场地准备、施工、许可、工程和设计成本,在今天的总体安装系统成本中可能占很大一部分。随着对大型电解槽安装(>50 MW)的经验的积累,其中一些成本预计会降低,但其他方面将需要额外的工作来简化安装过程,并促进实现氢气生产成本目标。

2、先进的技术路径

先进途径处于较低的技术准备水平(TRL),具有与材料、接口和组件相关的基本挑战,需要在可负担得起的合成、制造和系统级规模上加以解决。这些新技术路径的挑战包括:

PEC:在复杂的多组件设备的开发中,需要解决材料和组件的挑战,利用现有材料(例如,半导体,催化剂,涂层等)的增强,和/或发现和开发低成本的新材料,同时实现高太阳能到氢的转换效率和长寿命。这包括需要一种有效的功能化界面组合,专门针对光吸收、电荷传输、界面催化和表面保护进行优化;在有前途的电极基或颗粒基PEC反应器系统的演示和扩大中,需要解决系统挑战,保持效率、耐用性、成本和安全性要求。

STCH:在基于redox的系统(即可逆还原和氧化)的开发中,需要通过增强现有材料和/或发现和开发新材料来解决材料挑战。这些材料需要成本低,在适当的还原温度下具有较高的储氧能力,优化了蒸汽中析氢的热力学和动力学,有效的传热性能,并能抵抗循环引起的极端热应力和化学应力;系统挑战涉及到高效反应堆太阳能集热器中有前途的氧化还原材料的集成和扩大,以及在高温下运行的反应堆设计,这些材料有可能满足成本和安全性以及循环效率和耐久性要求。

生物转化:需要解决的挑战是开发基于微生物的工艺(包括发酵、微生物电解和混合组合),这些工艺可以持续以高速率和高摩尔产率生产氢气,包括通过生物工程开发新的或优化的微生物,使其适应可用的有机原料;系统挑战需要在为有前途的微生物培养和工艺量身定制的经济实惠的反应器设计的演示和扩大中得到解决,包括优化热管理、培养维护和氢气收集,同时保持安全要求。

先进的混合方法结合了电化学、热化学、热解、生物和/或PEC工艺,提供了优化性能、进一步降低成本的潜力,在某些情况下,还可以生产负碳氢。然而,需要解决与材料兼容性、组件集成和增加的系统复杂性相关的其他挑战。

氢气生产子项目采用综合方法来解决产品组合中每个技术途径的材料、组件、设备和系统级研发需求。这种方法涵盖了一系列TRL,从新材料开发和优化开始,用于先进路径和下一代电解槽,并继续通过制造,系统集成和回收,特别是与后期TRL电解槽技术相关。下图5说明了这一点。

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图5:在近期和长期的清洁氢气生产途径中,全面的材料、组件和系统级研发将考虑到制造和扩大规模的要求,以及系统集成和寿命结束后的回收和再利用。

通过该方法,氢气生产项目推动了实施章节中资助机制的多个研发项目。为加速进展,子项目已建立研发联盟,利用世界一流能力和核心国家实验室的研究活动,促进实验室、工业与大学间的合作。

目前,该氢生产项目支持四个与电解槽技术相关的联盟:H2NEW加速多种电解槽技术发展,创造优化、高性能、低成本、耐用的组件;ElectroCat专注于开发无pgm催化剂;HydroGEN发现和开发用于先进水分解技术的材料和组件;R2R推进PEM电解槽和燃料电池的膜电极组件(MEA)的大批量生产。这些联盟结合多物理场建模、高通量合成与表征及机器学习等尖端技术,打造了先进材料和组件的研发流程,旨在推动高效、耐用且经济实惠的下一代清洁制氢系统商业化。

氢气生产项目与氢基础设施、其他HFTO子项目及能源部内外机构紧密合作,推动清洁氢技术。HFTO子项目集成清洁能源如风电、太阳能和核能,展示电解槽新方案。能源部内,先进材料和制造技术办公室支持电解槽创新,科学办公室启动能源地球研究中心支持氢相关基础研究。跨机构合作方面,美国国家科学基金会支持氢联盟研究活动。HFTO子项目专业知识加速TRL范围内清洁氢技术创新。

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