“氢言氢语”｜生物质制氢介绍

“氢言氢语”第十九讲将带您了解生物质制氢技术：生物质制氢技术包括热化学法（如催化气化、热解、生物油重整）和生物法（如暗厌氧发酵、光合生物制氢、复合生物制氢），面临成本和纯度挑战。

生物质是指通过光合作用直接或间接生成的有机物质，包括植物、动物、微生物及其排泄物和代谢产物。生物质能则是一种能量形式，通过生物体的光合作用，将太阳能转化为化学能并储存在生物体中。由于其可再生特性且资源广泛，生物质能是一种重要的能源来源。仅我国农作物秸秆每年可用于能源的资源量就可达2.8亿至3.5亿吨。尽管生物质使用时会产生一氧化碳，但其二氧化碳排放源自大气，因此不会增加额外的碳排放量。

生物质制氢是生物质能利用的重要途径之一，主要有两大类技术：热化学法制氢和生物法制氢。

热化学法制氢

热化学法制氢包括生物质催化气化制氢、生物质热解制氢、生物油重整制氢等。生物质首先被转化为甲醇、乙醇，然后通过蒸汽重整生成氢气是较为成熟的技术路线。

生物质催化气化制氢：将生物质在空气、氧气或水蒸气等介质中加热至800~900℃，使其分解生成氢气、一氧化碳及其他气体。其关键在于提高氢气的产量，减少焦油等杂质的生成。该过程中产生的微量杂质（如H2S、HCl、碱金属、重金属等）需通过吸附剂加以处理。

（图：生物质催化气化制氢流程）

生物质热解制氢：在缺氧或少量供氧的条件下，利用热能将生物质的大分子碳氢化合物断裂，生成焦油、一氧化碳、氢气等产物。通过二次催化裂解焦油可进一步生成氢气。

生物油重整制氢：由美国国家可再生能源实验室（NREL）提出，首先通过生物质热裂解获得生物油，再通过水蒸气重整制氢。

甲醇、乙醇制氢：生物质制取甲醇、乙醇的技术已较为成熟，进一步通过甲醇和乙醇的蒸汽重整制氢也是一种可行的路线。

尽管这些热化学法在技术上已具备一定的可行性，并且已有商业化装置运行，但仍面临一些挑战，如与传统甲烷重整技术相比，生物质制氢成本较高，经济性欠缺竞争力。此外，产物氢气含量较低，含有较多杂质，这些杂质可能会对燃料电池造成损害，限制了其在高纯氢需求场景中的应用。

生物法制氢

生物法制氢主要有暗厌氧菌发酵制氢、光合生物制氢以及光合-发酵复合生物制氢三类技术路线。

暗厌氧菌发酵制氢：厌氧微生物通过氮化酶或氢化酶降解有机物生成氢气，不依赖光能。适用于此过程的微生物包括专性厌氧菌、兼性厌氧菌和少数好氧菌。

光合生物制氢：包括光解水制氢和光发酵制氢两类。光解水制氢是通过蓝藻、绿藻等光合微生物分解水生成氢气；而光发酵制氢则是在厌氧光照条件下，利用生物能和光能共同驱动氢气的生成。

光合-发酵复合生物制氢：结合暗发酵和光发酵的优势，减少光能需求的同时提高氢气产量。这种复合技术有望成为未来生物质制氢的发展方向。

暗发酵制氢已进入中试阶段，但要实现工业化生产仍需进一步提升效率和降低成本。光发酵和复合生物制氢技术则仍处于实验室研究阶段。