Nexis视角丨岛津GC在氢能产业链构建中的典型应用（上篇）
全球能源行业正经历着以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革，氢能作为一种清洁、高效、可持续的二次能源，同时兼有来源广、燃烧热值高、能量密度大、可储存、可再生的特点，成为我国节能减排和能源变革过程中非常重要的能源互联媒介，受到越来越多的关注。2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。《规划》提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳达峰目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。
图1. 氢能产业发展中长期规划
发展氢能产业，对构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标，具有重要意义。为了实现这个目标，技术创新在整个氢能产业链构建过程中至关重要。例如：在氢气制备环节，通过研究提高制氢方法的效率，降低生产成本，基本达到零CO2排放；在氢气储运环节，通过不断开发和完善氢气质量检验方法，从各个方面促进氢气交易的便捷性；在氢气应用环节，通过扩展氢气用于发电、供热和化学品生产等多方面的用途，提高利用率。
图2. 氢能全产业链图示
岛津长久以来一直致力于提高气相色谱的性能，通过技术创新，不断发展岛津特色气相色谱技术和产品。目前岛津创新气相色谱技术已经广泛用于上图所示的氢能产业链构建中，从介质阻挡放电等离子体检测器（BID）、硫化学发光检测器（SCD）到气相色谱平台Nexis GC-2030加强版等。本篇将为您分享岛津创新BID检测器在此流程中的应用实例。
图3. 岛津BID检测器及旗舰级气相色谱仪Nexis GC-2030加强版
在氢气制备方法方面，除了化石能源催化重整制氢、电解水制氢、副产物氢气提纯、生物质制氢外，现在光解水制氢因其环境友好等诸多优点受到越来越多的关注。这其中，高效催化剂开发、更高能量转换效率和分离膜的研究，以及大规模低成本的探讨是现在许多科学家的努力方向。随着光解水制氢技术的不断发展，制氢路线将由化石能源制氢逐步过渡至可再生能源制氢，“灰氢”向“绿氢”发展，未来制氢领域将趋向于更加友好的道路。
光解水制氢产生的氢气和氧气一般在亚ppm到百分比的宽浓度范围，传统TCD检测器难以测定亚ppm级浓度水平的样品，同时由于氢气和氧气的热传导系数差异，一般需要在每次分析中更换不同的载气，因此，传统上需要使用两组分离柱和TCD检测器进行检测。本例中使用岛津BID检测器，则可通过一个检测器实现亚ppm级到百分比浓度水平这样宽范围的氢气和氧气分析，同时也可兼顾其他气体成分的分析。
图4. ppm级浓度水平的H2和O2分析谱图
图5. %级浓度水平的H2和O2分析谱图
当前全球范围内绝大部分的氢气是由煤、石油、天然气等化石燃料制备的，这个过程中一般也会产生CO2副产物，因此为了实现碳达峰碳中和的目标， “如何有效利用这些副产物CO2“的研究工作在科研领域备受关注。食品级CO2是碳酸饮料中的重要添加成分之一，利用工业回收CO2进行资源化再利用生产食品级CO2是落实节约资源和保护环境，发展循环经济和变废为宝的重要方向。我国对食品级CO2质量控制一直非常重视，相关标准涉及多项有机物杂质的含量要求。如下是采用BID检测器分析食品添加剂CO2气体中杂质的应用案例。
图6. 食品添加剂CO2气体中杂质分析色谱图
此外，岛津也可提供CO2中痕量无机气体、硫化物、轻烃、芳香族成分、醇类等应用方案。
随着氢燃料电池技术的发展，其使用范围逐渐扩展到家用燃料电池系统和燃料电池汽车(Fuel Cells Vehicle，FCV)。如果FCV使用的氢气含有一氧化碳等杂质，将造成燃料电池内部出现催化剂中毒，从而降低燃料电池的发电性能，因此需要使用高纯度的氢燃料。在燃料电池汽车用氢燃料的国际标准《ISO 14687: 2019 Hydrogen fuel quality — Product specification》和国家标准《GB/T 37244—2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》中，除了规定一氧化碳的最大浓度0.2ppm外，还规定了氧气、二氧化碳和碳氢化合物等的最大浓度。常规来说，需要使用气相色谱搭载TCD或PDD检测器分析无机气体，使用甲烷转化炉和FID检测器配合分析CO和CO2。本例中我们使用岛津旗舰级气相色谱仪Nexis GC-2030搭载 BID检测器，可实现这些成分的高灵敏度同时分析（一般可达到0.1到1ppm的检测下限）。
表1. 燃料电池汽车用氢燃料的国际和国内标准中的质控指标举例
图7. 氢气中杂质的同时分析色谱图（Micropacked ST 色谱柱）
2019年氢能源首次写入《政府工作报告》，将氢能纳入中国能源体系之中，我国真正开启氢能大发展元年，按照白皮书路线规划，预计到 2050 年氢能在中国能源体系中的占比将达到约 10%。能源“十四五”规划把氢能和燃料电池技术列为能源技术装备的主攻方向和重点任务。氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，充分发挥氢能清洁低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。岛津以BID检测器为代表的创新气相色谱技术将持续助力相关检测工作，为行业发展作出贡献。
参考资料：
1.https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202203/t20220323_1320038.html?code=&state=123
2. 岛津应用No. G283. 对备受瞩目的染料电池汽车用氢燃料中的微量杂质进行分析。
3. 岛津应用No.G297. Micropacked-ST微填充柱分离效率的比较。
4. 岛津应用No. 10. 气体中痕量杂质的高灵敏度分析。
5. 约克和书的雪球专栏，氢能源投资报告。
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