利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

时间:2019-11-24 03:43 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

 

  这是一个红细胞的可视化图像。氢在阴极端产生,氧在阳极端产生。说明信用:台湾

  利用余热有助于降低氢的生产成本。

  氢作为一种能源载体可以帮助我们摆脱对化石燃料的依赖,但前提是它必须得到有效利用。提高效率的一个方法是利用其他工业过程中产生的余热。

  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纯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,目前所有的氢发电需要3600度时,这比欧盟每年的发电量还要多。

  

利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

 

  研究人员Odne Stokke Burheim和Kjersti Wergeland Krakhella组装了膜电导率测量细胞,他们用来测试废热的利用来帮助产生氢。资料来源:Lars Robert Bang/NTNU

  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,否则它就没有多大价值。”他是发表在学术期刊《MDPI能源》上的一篇关于这一过程的文章的第一作者。“这是低品位、低温的热量——但它可以用来制造氢。”

  挪威七分之一的电力生产

  余热和它听起来的一模一样——工业过程中产生的副产品。从工业锅炉到废物转化为能源的工厂,任何东西都会产生废热。

  

利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

 

  这是制造细胞所需要的。图的前面是离子交换膜,后面是用来测量膜电导率的细胞成分。资料来源:Lars Robert Bang/NTNU

  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,挪威工商业产生的废热相当于20 TWh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140太瓦时。这意味着有很多余热可以用来工作。

  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。

  在红色中,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。

  

利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

 

  热队:从左至右:弗罗得·塞兰、克里斯蒂安·艾蒂安·埃纳斯鲁德、基尔斯蒂·韦格兰·克拉克拉、罗伯特·博克和奥登·斯托克·伯海姆。资料来源:Lars Robert Bang/NTNU

  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,它们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,堆叠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,第一次使用盐水和河水。

  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余热作为过程的一部分。

  利用余热重复利用这些盐

  如果运行上面描述的红色堆栈,在某一时刻,浓缩盐溶液和稀释盐溶液变得越来越相似,因此它们必须更新。

  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。这就是余热的来源。

  研究人员测试了两个系统。

  

利用反向电渗析将废热转化为氢燃料

 

  研究人员在测量细胞中调整膜上的压力。资料来源:Lars Robert Bang/NTNU

  第一种是利用废热蒸发浓缩溶液中的水分,使之更加浓缩。

  第二个系统使用余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。”

  都有好处

  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和废热蒸发系统中的水,每膜面积产生的氢比沉淀法多。

  与他们的沉淀系统相比,25℃蒸发系统的产氢量是4倍,40℃蒸发系统的产氢量是2倍。

  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8.2千瓦时,而蒸发法则为55千瓦时。

  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计算。还有很多工作要做,尤其是在加工过程中使用的盐的种类上。

  研究人员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

  另一个继续限制氢生产的问题是,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,以及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,社会付出的代价可能要高得多。”

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