Nat. Energy：幾乎沒有能量損失的甲烷制氫新方法

【引言】

氫氣是燃料電池的首選燃料,而用天然氣制氫則是化石燃料制氫工藝中最為經濟與合理的,因而以甲烷作原料制備氫氣的工藝在當前發揮著重要的作用。目前，甲烷制氫最節能的生產途徑是將蒸汽重整和水煤氣轉換結合在一個多步驟過程中，所產生的氫通常使用變壓吸收等方式在下游分離。或者，氫分離可以包括在使用氫選擇性膜的蒸汽重整過程中，分離氫氣同時改變熱力學平衡，使得其過程得到強化。但傳統的氫氣生產需要大型工業設備來使蒸汽重整，水煤氣轉換，產物分離和壓縮相關的能量損失和資金成本最小化。

【成果簡介】

近日，瓦倫西亞理工大學José M. Serra、CoorsTek公司Christian Kj?lseth（共同通訊）等人提出了一種質子膜重整裝置（PMR），該裝置能夠在單步過程中通過蒸汽甲烷重整來生產高純度氫氣，并且能量損失幾乎為零。該團隊使用BaZrO₃基質子導電電解質作為致密膜沉積在具有雙重功能的多孔Ni復合電極上作為重整催化劑。在800°C時，去除99％的氫氣，實現了完全的甲烷轉化，同時電化學壓縮到50bar，并且通過耦合幾個熱化學過程來實現熱平衡狀態。在一個小規模（10?kg H₂ day^?）制氫裝置的模擬顯示整體能源效率> 87％。相關成果以題為“Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss”發表在了Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖1 質子膜重整器的示意圖

a）甲烷（CH₄）在反應側用蒸汽（H₂O）重整

b）能量平衡和系統微整合

圖2 用于生產壓縮氫的質子膜重整器

a）質子膜反應器的示意圖

b）氫氣產生率與電流密度

c）二氧化碳和一氧化碳的轉化和產生率與氫氣回收率的關系

圖3 800°C時電壓損失

a）電池（U_cell），電解質（U_electrolyte），電極（U_electrode）和能斯特電壓（U_Nernst）與氫輸送壓力的關系

b）頂部：在指定壓力下從膜釋放的熱量；底部：總體系統效率與氫氣生產率的關系

c）基于系統建模的氫氣產生裝置的Sankey能量圖

圖4 熱流體動力學模擬

a）質子膜反應器的示意圖?

b）溫度和縮放視圖的徑向對稱體積分布

c）在0.4Acm^-2的電流密度下甲烷摩爾分數的分布

圖5 制氫的技術經濟評估

a，b）對內燃機的能量（a）和溫室氣體排放（b）進行逐輪分析

c）以三種不同模式運行的PMR的制氫成本

d）天然氣（NG）和電力（EL）價格對使用模式1,2和3運行的PMR制氫成本的靈敏度分析

【小結】

研究展示了基于具有Ni復合電極的高溫質子陶瓷電解質的蒸汽甲烷重整器，其產生單獨的CO₂流和電化學壓縮的氫氣。吸熱化學反應和超電勢損失的微觀熱耦合有利于空間上均勻的熱平衡操作狀態，從而使工藝操作簡單并且與其他系統相比提高了能量轉換效率。假設天然氣的價格仍然低于石油和電力的價格，則該模型表明，PMR技術可以使FCEV在氫氣下運行成本最低。

文獻鏈接：Thermo-electrochemical production of compressed hydrogen from methane with near-zero energy loss（Nat.Energy,2017,DOI:10.1038/s41560-017-0029-4）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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