PEM 燃料電池可以直接將化學能轉化為電能,且只有水作為唯一排放物,從而將能量損失將至最低,因此PEM 燃料電池被視為“綠色能源”裝置。
生物質能的使用可追溯到幾千年前。當我們祖先開始燃燒木材時,生物質能成為日常生活中的主要能源來源,人類歷史從此掀開新篇章。生物質能也為日后社會發展做出重要貢獻。然而,19世紀以來,隨著生物質能相關技術發展減緩,化石燃料的使用也逐漸減少。直到21世紀早期,可再生能源制造燃料的興起致使生物質能應用也隨之復蘇。其中,蒸汽重整技術實現了生物質能與氫燃料的轉換,提高燃料單位密度能量和減少環境污染。該技術先利用厭氧菌分解生物質(如谷殼、木漿、碎料、糞便、生物質垃圾等)產生甲烷,再利用蒸汽甲烷重整設備生產氫燃料,同時產生一氧化碳作為副產物(也被成為合成氣)。
目前氫燃料的一個重要應用是聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。 PEM燃料電池可以直接將化學能轉化為電能,且只有唯一副產物水蒸氣,從而將能量損失降至最低。因此PEM燃料電池被視為“綠色能源”裝置。因為PEM燃料電池可在低溫范圍(50-100°C)下運作且易于客制化,所以被應用于汽車領域,便攜式或固定式電堆領域。
PEM燃料電池主要通過氫氣氧化反應和氧氣還原反應進行能量轉換。若需再低溫下發生上述氧化反應和還原反應,鉑是必不可少的催化劑,且鉑被認為是PEM燃料電池反應中最有活性的催化劑。但是,鉑對于氫燃料的雜質非常敏感,尤其是一氧化碳。30ppm的一氧化碳可導致輸出電壓下降48%,而100ppm的一氧化碳可導致輸出電壓下降90%。因此, 若利用生物質和SMR技術生產氫燃料,有效減少和去除一氧化碳是該制氫技術的關鍵之一。目前使用的凈化系統是利用蒸汽引起水煤氣轉化(WGS)反應通過該反應將大部分一氧化碳轉化為二氧化碳。但是由于WGS反應是可逆反應,在一氧化碳含量較低的時候(但仍不滿足PEM 燃料電池應用標準),反應很難保持正反應方向。為了解決這個問題,變壓吸附技術(PSA)應運而生,最終將氫氣純度提高到99.99%以上。變壓吸附技術利用高壓下氣體吸附到固體表面實現純化。利用固體表面吸附的高選擇性,可吸附目標氣體。因此,先利用WGS反應進行初步純化,再利用能強吸收一氧化碳但不吸收氫氣的吸附床(放置在反應室)對初步純化氣體再提純,則可獲得高純度氫氣。由于吸附床的表面積有限,所以連續生產時需要多個反應室。同時,反應室在不使用時需要排氣以保持高效吸附。因此,系統設計和建模構建對于高效純化氫氣至關重要。
目前,PSA技術對氫氣進行純化效率可達到20000立方米/每小時,純度高達99.999%(達到PEM燃料電池應用標準)。VERDE LLC研發該類型凈化系統,并可根據客戶需求進行定制,例如可利用生物質產生的高純度氫構建家用燃料電池站。試想一下,如果美國東海岸的所有房屋都安裝了該燃料電池站,大多數人則不會遭受颶風桑迪長時間停電的困擾。 此外,這種站臺的應用可以大量減少碳排放,為減緩全球變暖做出巨大貢獻。

