新技术可以将废热转化为氢燃料
发布日期：2019/11/19
今年6月，国际能源署(International Energy Agency)证实了大多数专家已经知道的一个事实：世界应该更加努力地推动氢作为一种零排放能源的使用。
然而，制造氢的挑战之一是它需要大量的能量。国际能源署表示，仅使用电力生产当今所有的氢气将需要3600TWh，这比欧盟每年的发电量还多。
但如果你可以利用现有的能源浪费来帮助氢的生产呢？挪威科技大学的研究人员开发了一种新方法，利用其他工业过程产生的废热来达到这个目的。
Kjersti Wergeland Krakhella说：“我们发现了一种利用热量的方法，之前它只是被白白浪费掉。”她是这篇论文的第一作者，该论文发表在学术期刊《MDPI能源》上。“这些是低品位、低温的热能——但它们可以用来制造氢。”
挪威七分之一的水电产出
废热和它听起来的意思一模一样——工业过程中产生的副产品。从工业锅炉到垃圾发电厂，许多工业过程都会产生废热。
更多的时候，这些多余的热量会被释放到环境中。能源专家表示，每年挪威工商业产生的废热相当于20TWh的能量。
从这个角度来看，挪威整个水电系统每年的发电量为140TWh。这意味着有很多废热可以拿来利用。
膜和盐
研究人员使用了一种叫做反向电渗析(RED)的技术，它依赖于盐溶液和两种离子交换膜。
要了解研究人员的实际工作，首先要了解RED技术是如何工作的。
在RED中，有一种膜叫做阴离子交换膜，或者AEM，它允许带负电荷的电子(阴离子)通过膜，而另一种膜叫做阳离子交换膜，或者CEM，它允许带正电荷的电子(阳离子)通过膜。
这些膜把稀盐水和浓盐水分开。离子从浓溶液迁移到稀溶液，由于两种不同类型的膜交替出现，迫使阴离子和阳离子向相反的方向迁移。
当这些交替的水柱被夹在两个电极之间时，电堆就可以产生足够的能量将水分解成氢(在阴极一侧)和氧(在阳极一侧)。
这种方法是在20世纪50年代发展起来的，首次使用了盐水和河水。
然而，Krakhella和她的同事所做的是使用一种叫做硝酸钾的盐。这种盐的使用使他们能够利用废热作为过程的一部分。
利用废热重复利用这些盐
如果运行上面描述的RED电堆，在某一时刻，浓缩盐溶液和稀释盐溶液浓度会变得越来越接近，因此它们必须被更新。
这意味着你需要找到一种方法来增加浓溶液中的盐的浓度，并从稀溶液中除去盐。这就是废热可以发挥作用的地方。
研究人员测试了两种系统。
第一种是利用废热蒸发浓缩溶液中的水分，使之浓度提高。
第二种系统利用废热使盐从稀释的溶液中沉淀出来(这样盐就会少一些)。
Krakhella说：“如果你找到了去除水或盐的方法，你就完成了任务。”
各有所长
当研究人员查看他们的结果时，他们发现使用现有的膜技术，利用废热来蒸发系统中的水，单位膜面积产生的氢比沉淀法多。
从成本的角度来看，这使它成为更好的选择。
然而，研究人员发现，就能量需求而言，沉淀过程更好。例如，用沉淀法生产一立方米氢气所需的能量仅为8.2kWh，而蒸发法则为55kWh。
有很多可能性的新系统
虽然Krakhella的工作证明了这个概念是可行的，但她主要是使用实验室的实验模型和大量的计算机运算。还有很多工作要做，尤其是在选择生产过程中所使用的盐的种类上。
研究人员目前选择了硝酸钾作为他们的盐系统，但是其他的盐也可以起作用，她说。
“这是一个全新的系统，”她说。“我们需要对其他浓度的盐做更多的测试。”
薄膜价格是限制因素
另一个限制大规模产氢的因素是，膜本身仍然非常昂贵。
Krakhella希望，随着社会寻求摆脱化石燃料，需求的增加将推动薄膜的价格下降，同时可以改善薄膜本身的特性。
“膜是我们系统中最昂贵的部分，”Krakhella说。“但每个人都知道，我们需要为环境做点什么，如果我们不开发无污染的能源，付出的代价可能要高得多。”
来源：燃料电池工程 中国新能源网
