分析甲醇制氫與其他能源形式,如太陽能、風能等可再生能源的耦合方式,以及如何通過能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置,實現(xiàn)能源的利用和可持續(xù)供應(yīng)。例如,研究甲醇制氫與太陽能光伏發(fā)電的結(jié)合。
甲醇制氫主要通過甲醇水蒸氣重整、甲醇部分氧化以及甲醇裂解等化學反應(yīng)實現(xiàn),這些反應(yīng)在特定的條件下進行,各有其特的反應(yīng)機理和特點。甲醇水蒸氣重整制氫是目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法,其反應(yīng)方程式為:(CH_{3}OH + H_{2}O rightleftharpoons 3H_{2} + CO_{2}),(Delta H^{0}= + 131kJ/mol) ,這是一個吸熱反應(yīng) ,需要外界提供熱量來推動反應(yīng)的進行。
接著,一氧化碳與水蒸氣發(fā)生水煤氣變換反應(yīng),(CO + H_{2}Orightleftharpoons CO_{2} + H_{2}),進一步生成氫氣,提高氫的產(chǎn)率。通過控制反應(yīng)溫度、壓力以及原料的摩爾比((H_{2}O)與(CH_{3}OH\)摩爾比一般為 1.0 - 5.0 )等條件,可以優(yōu)化反應(yīng)的進行,提高甲醇的轉(zhuǎn)化率和氫氣的選擇性。
甲醇部分氧化制氫的反應(yīng)方程式(CH_{3}OHfrac{1}{2}O_{2}rightleftharpoons 2H_{2} + CO_{2})(Delta H^{0}= - 155kJ/mol),該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。在反應(yīng)過程中,甲醇與適量的氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng),氧氣的加入量對反應(yīng)的影響至關(guān)重要。
該反應(yīng)相對簡單,但由于產(chǎn)物中一氧化碳含量較高,而一氧化碳會對后續(xù)的氫氣應(yīng)用,如燃料電池的使用產(chǎn)生不利影響,因此通常需要對產(chǎn)物進行進一步的處理,如通過一氧化碳變換反應(yīng)將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣,以提高氫氣的純度和質(zhì)量 。
傳統(tǒng)的高壓氣態(tài)儲氫需要將氫氣壓縮至的壓力(通常為 35MPa 或 70MPa),這不僅需要昂貴的壓縮設(shè)備和高壓儲存容器,而且存在較大的安全風險 。液氫儲存雖然能量密度高,但需要將氫氣冷卻至 - 253℃的低溫,能耗,儲存和運輸成本高昂,且對儲存設(shè)備的絕熱性能要求。
相比之下,甲醇在常溫常壓下為液體,其密度約為 0.79g/cm3 ,便于儲存和運輸。它可以利用現(xiàn)有的液體燃料儲存和運輸基礎(chǔ)設(shè)施,如油罐車、管道等,大大降低了儲存和運輸成本。
同時,甲醇的蒸汽壓較低,揮發(fā)性相對較小,安全性較高,減少了運輸過程中的安全隱患。環(huán)保性上,甲醇制氫過程相對清潔。以甲醇水蒸氣重整制氫為例,其主要產(chǎn)物為氫氣和二氧化碳,相較于傳統(tǒng)的化石燃料制氫方法,如煤炭氣化制氫,在煤炭氣化過程中,除了產(chǎn)生氫氣和二氧化碳外,還會產(chǎn)生大量的一氧化碳、硫化氫、粉塵等污染物,對環(huán)境造成嚴重危害。
而甲醇制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳相對純凈,更易于捕集和利用。如果采用可再生能源合成的甲醇作為原料,如利用太陽能、風能電解水制氫,再將氫氣與二氧化碳合成甲醇,那么整個甲醇制氫過程可以實現(xiàn)近乎零碳排放,對環(huán)境的友好性顯著提高。