电导率在绿色制氢中的重要性

电导率在绿色制氢中的重要性

气候变化和在全球范围内向碳中和社会转型的必要性是不可否认的事实。

其中一种替代燃料是氢气，它的优点是不产生碳或氮等副产品。另外，氢作为燃料来源还有其他优点，比如拥有相较于石油燃料三倍的质量能量密度，并且它可以从水、污水污泥、生物燃料、天然气和石油等多种来源中提取。

通过分解水来生产氢气会具有吸引力的原因有很多，其中最重要的是地球上有丰富的水资源，提供了目前看来可持续的氢气来源。随着最近在电解制氢技术的进展，本地生产供现场使用的氢气现在是一种可行的、甚至是首选的选择，并且非常适合利用可再生能源（例如太阳能、风能）间歇性生产氢气。间歇性可再生能源产生的能量，其形式（气体）易于存储和使用，是燃料电池的理想选择。此外，从风能、太阳能等可再生能源生产氢气，为世界可持续能源发展展现了巨大前景。“绿氢”一词用于表示氢气来自可再生来源。虽然氢气是一种无色、无味的气体，但它已被分类为不同的颜色以表示其生产来源。

下图显示了当今生产中的各种类型的氢气的功效及其颜色编码。

绿色

按照规定，绿色氢来自电解水，该过程所用的电力来自可再生能源。它在发电过程中不产生温室气体，也不因使用过程中排放温室气体。由于生产成本较高，目前绿色氢仅占氢气生产总量的一小部分。然而，随着技术和基础设施的进步，成本将会降低。

蓝色

蓝色氢来自脱碳来源，例如通过蒸汽或脱碳煤气化进行甲烷重整。在这过程中会产生二氧化碳，，这与制氢作为碳中和替代能源的初衷背道而驰。，因此碳捕捉与储存至关重要。

棕色/黑色

棕色和黑色氢通常来自煤的气化，没有蓝氢的碳捕获的部分。这种氢源与绿色氢完全相反，因为它在此过程中会产生温室气体。

灰色

灰氢是由甲烷或天然气（不是煤）的蒸汽重整产生的但没有进行脱碳（碳捕获）。这是目前最常用的氢气来源；然而，它仍然会产生一些温室气体。

蓝绿色

蓝绿色氢是最新的制氢形式，尚未用于大规模生产氢气。它利用某种形式的甲烷热解来产生氢气和固体碳，因此可以捕获一些碳。随着技术的进步，当使用可再生电力和永久碳储时，这可能是一种低碳排放的制氢方式。

粉色/紫色

被称为紫色、粉红色或红色氢，这是利用核电产生的氢。此外，由于核反应堆中形成的高温，也可以通过甲烷的蒸汽重整产生氢气。

白

白氢是在地壳沉积物中发现的天然存在的（即地质）氢。通常用水力压裂技术来开采，目前没有策略来利用这种形式的氢气。

为简洁起见，本文将仅关注绿色氢及其生产和使用所需的一些技术。

氢生产和氢使用中管控的两个关键点

这两个关键点的严格控制和自动化对绿氢生产使用来说，非常有帮助，甚至必需的：

第一个是电解超纯水（UPW）产生氢气的过程，

第二个是燃料电池监测，特别是像PEM（质子交换膜）燃料电池的液冷系统。

如果采用蒸汽重整（例如，蓝氢），则还需要额外的控制，因为用于控制蒸汽形成中使用水的过程将需要额外的标准，类似于基于蒸汽的发电厂。

氢生产：三种常见的氢气生产方法

目前有三种成熟且常见的制氢方法：碱性电解（AEL或称ALK），固体氧化物电解（SOEL或称SOEC）和质子交换膜电解（PEMEL或PEM）。

碱性电解（AEL或称ALK）使用在氢氧化钾或氢氧化钠的液体碱性电解液。电极由隔膜隔开，将产出气体分开，并将氢氧根离子(OH−)从一个电极传输到另一个电极。这是一种相对低温、中高效率的制氢方式，是目前市场上最成熟、最常用的技术。虽然制造成本低于基于PEMEL的系统（使用镍和镍铂催化剂），但它们的效率不如PEMEL电解槽堆栈高。

固体氧化物电解（SOEL或称SOEC）以固体氧化物或陶瓷为基础，在高温下电解水。通常，这些电解槽的工作温度为500-850°C。电解槽的一般功能是通过多孔陶瓷层输送蒸汽并施加电压，从而产生氢和氧离子，并通过致密电解质扩散，随后提取并处理氢气。电解质必须足够致密，以使氧原子和H2气体不会立即重新结合。氧原子一旦从电解质-阳极界面脱离，就会进一步氧化形成氧气，并被收集起来。虽然这是最广泛使用的生产氢气的方法，但陶瓷是由钇或钪等稀土金属制成的，生产成本很高。但基于SOEL的系统仍具有一些优势，包括能够在再生模式下使用（这意味着它们能够产生氢气以及能够像燃料电池一样发电），并且可以与蒸汽产生能源系统结合使用以热电联产的方式最大限度地提高能源效率。此外，研究仍在继续寻求天然能源或蒸汽（例如地热），以提高效率，并使这项技术更加环保。

质子交换膜电解（PEMEL或PEM）与前面提到的其他技术类似，它电解水形成氢气和氧气。该系统使用阳极和阴极系统来施加电压，但不同之处在于它使用固体聚合物电解质来进行氢离子的转移，以及对阳极与阴极的进行电气隔离（绝缘）。这项技术早在20世纪60年代就已出现1，由通用电气公司开发，旨在克服碱性电解的缺点。基于PEM的电解具有多个优点，包括运行成本低、效率高以及可以在非常高的电流密度下运行。此外，由于聚合物绝缘体的固体结构，该过程产生的氢气非常纯净，这使其非常适合用于氢燃料电池。

所有这些技术都使用多个电解槽的堆叠来产生大量的氢气。对于基于SOEL的系统，电池堆可以在再生模式下使用，然后产生电力而不是消耗电力。从能量上来说，这是一种增加，因为用于制造氢气的电力少于蒸汽最初为整个过程提供能量时产生的能量/电量。

氢使用：如何使用效率高？需要什么管控？

清洁氢的主要用途是发电，通常通过氢燃料电池发电。虽然大多数人都知道氢气的可燃性，甚至爆炸性（例如兴登堡灾难），但像当今汽油驱动的内燃机那样燃烧氢气作为燃料，是一个非常低效的过程。再加上内燃机在能量转换方面的效率只有20%左右，而且氢的体积能量密度比汽油低，这意味着， （同样大的油箱）以这种方式燃烧氢的效率极低。然而，通过燃料电池将氢气转化为电能的效率非常高，在50-60%范围内。因此，好处是显而易见的，燃烧化石燃料的效率只有20%，还会产生温室气体，而氢燃料电池的效率只有50-60%，其产生的唯一副产品是水。

大多数大型制氢电解或燃料电池堆系统都需要超纯水（UPW）用于电解槽，水或乙二醇等水混合物用于冷却燃料电池堆。由于水质和冷却系统对于系统使用寿命的重要性，因此需要可靠的监测方法来确定UPW或冷却系统是否存在问题。其中包括检测用于产生氢气的超纯水中的污染、检测泄漏或冷却突然丧失以及系统内冷却剂可能受到污染（这会降低其冷却效率）的方法。

电导率传感器可用于污染物监测！

电导率（离子含量的量度）是水纯度分析中广泛使用的分析参数，易于安装使用，并且易于连续监测和验证您的水系统，避免故障、停机和潜在的灾难性的催化剂破坏。

测量溶液离子含量的常用技术有三种：2电极、4电极和感应电导率。在本文中，我们仅考虑2电极传感器，因为它们最适合超高纯水典型的较低电导率范围。在双电极传感器中，在两个电极之间施加交流电压，并测量它们之间的电阻。梅特勒托利多Thornton拥有先进的电导率传感器设计，采用UniCond™电导率/电阻率传感器，将测量电路和物理传感器集成到一个单元中。

UniCond电导率/电阻率传感器由于其先进的内置测量电路而提供极宽的测量范围。该电路消除了引线电阻和电容的干扰，从而可以将稳定的数字信号发送到变送器。单个UniCond 2电极传感器可以精确测量从超纯水到微咸水（高达50,000µS/cm），仅使用一种传感器类型即可实现广泛的应用。

监测超纯水污染情况，避免催化剂损耗风险

在制氢时需要使用超纯水，因为非纯水中的任何污染物最终都会污染用于电解的催化剂。这些可能导致效率降低，并最终丧失催化作用。催化剂材料（即稀土金属）损耗和氢气生产损失是非常昂贵。此外，将超纯水与质子交换膜电解槽（PEMEL或者PEM）结合使用是一种易于实施的系统，随着水净化技术（生产UPW）的广泛使用，将这两种技术集成在一起就可以形成一个全套解决方案。

监测冷却液污染情况，确保冷却效率与安全

在这些系统中采用电导率传感器的另一个作用是来检测燃料电池堆中使用的冷却剂中的污染物。虽然超纯水的污染相对容易测量，但识别冷却液管路中的污染（可能是乙二醇:水的混合物）并不总是那么简单。由于乙二醇：水混合物的高电阻率，这些传导单元是特有的，因此需要工厂进行的不同配置（不同的电极常数）。梅特勒托利多Thornton UniCond电阻率/电导率传感器是纯水、超纯水、水性混合物（例如乙二醇）系统以及需要精确电导率和温度测量的水性工艺的理想解决方案。这些传感器有多种尺寸和材料可供选择，以及高电阻率解决方案所需的不同电极常数。多种型号最大限度地减少了将这些传感器安装到UPW回路或冷却剂流的各个测量点的工程工作量。

电导率监测应用的总结

各种数字或模拟传感器和相应变送器可连接到PLC以进行决策，例如在发生流体故障或污染时紧急关闭或切换到备用系统。

为什么要推荐使用数字传感器？

上述梅特勒托利多的解决方案都有一个明显的优势：它们是数字化的，可以远程安装（相较于模拟传感器，信号不因距离变长而衰减），这意味着PEM燃料电池堆内的冷却单元可以报告其状态（即流量、电导率、温度等）到安全距离的远程终端或机械室。此外，数字检测意味着可以将逻辑控制应用于系统，以便在发生灾难性泄漏（即检测到零流量）时，在电解槽或燃料电池堆因过热而产生任何损坏之前立即关闭系统或激活备用系统。

优势总结

总之，梅特勒托利多可提供多种的传感器选择，包括配件及不同材料，并且通过变送器配置以进行远程监测和数据报告。如果监测点距离 PLC或监控计算机有相当远，那么这是一个相当方便的选择。

·       高性价比

o   合理维护的超纯水系统和电解槽效率更高，因此运行成本更低。

o   相比电解槽损坏的替换成本和收入损失，而传感器只占成本的一小部分。

·       易于安装在闭环系统中进行在线监测

o   提供多种尺寸和材料的传感器供选择，可以降低流量计或电导率传感器的工程成本。

o   提供多种尺寸和材料的电导率传感器供选择，可以应对不同流体类型（例如，水、乙二醇），也就是说，可以采用同一种技术来应对冷却回路和超纯水回路的污染监测，简化设计。

·       可远程安装到堆栈的全数字解决方案

o   可以远程监测和记录多个参数，包括电导率（即污染）、温度和冷却液流量（包括“0流量”）。

o   来自传感器的数据可用于趋势和分析。

o   可以对基于PLC的决策和自动配对关闭或自定义其他转移选项。

·       根据需要安装的通道/传感器数量，提供各种变送器选项

o   温度、流量和电导率的数据集成、显示在单个变送器中，从而节省空间和成本。

立即联系梅特勒托利多Thornton，讨论更适用于您应用的流量或电导率传感器，如防爆型号等。

引用

1拉塞尔;纳托尔LJ;菲克特美联社（1973）。“固体聚合物电解质水电解制氢”。美国化学学会燃料化学分会预印本

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