全球能源行業(yè)正經(jīng)歷著以低碳化、無碳化、低污染為方向的第三次能源變革，氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的二次能源，同時兼有來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、可儲存、可再生的特點，成為我國節(jié)能減排和能源變革過程中非常重要的能源互聯(lián)媒介，受到越來越多的關(guān)注。2022年3月23日，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》?！兑?guī)劃》提出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展各階段目標：到2025年，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設(shè)一批加氫站，可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年，實現(xiàn)二氧化碳減排100-200萬噸/年。到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系，有力支撐碳達峰目標實現(xiàn)。到2035年，形成氫能多元應用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，對構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標，具有重要意義。為了實現(xiàn)這個目標，技術(shù)創(chuàng)新在整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建過程中至關(guān)重要。例如：在氫氣制備環(huán)節(jié)，通過研究提高制氫方法的效率，降低生產(chǎn)成本，基本達到零CO2排放；在氫氣儲運環(huán)節(jié)，通過不斷開發(fā)和完善氫氣質(zhì)量檢驗方法，從各個方面促進氫氣交易的便捷性；在氫氣應用環(huán)節(jié)，通過擴展氫氣用于發(fā)電、供熱和化學品生產(chǎn)等多方面的用途，提高利用率。

圖2. 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈圖示

島津長久以來一直致力于提高氣相色譜的性能，通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷發(fā)展島津特色氣相色譜技術(shù)和產(chǎn)品。目前島津創(chuàng)新氣相色譜技術(shù)已經(jīng)廣泛用于上圖所示的氫能產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建中，從介質(zhì)阻擋放電等離子體檢測器（BID）、硫化學發(fā)光檢測器（SCD）到氣相色譜平臺Nexis GC-2030加強版等。本篇將為您分享島津創(chuàng)新BID檢測器在此流程中的應用實例。

圖3. 島津BID檢測器及旗艦級氣相色譜儀Nexis GC-2030加強版

1、光解水產(chǎn)氣組成測定

在氫氣制備方法方面，除了化石能源催化重整制氫、電解水制氫、副產(chǎn)物氫氣提純、生物質(zhì)制氫外，現(xiàn)在光解水制氫因其環(huán)境友好等諸多優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。這其中，高效催化劑開發(fā)、更高能量轉(zhuǎn)換效率和分離膜的研究，以及大規(guī)模低成本的探討是現(xiàn)在許多科學家的努力方向。隨著光解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，制氫路線將由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫，“灰氫"向“綠氫"發(fā)展，未來制氫領(lǐng)域?qū)②呄蛴诟佑押玫牡缆贰?/span>

光解水制氫產(chǎn)生的氫氣和氧氣一般在亞ppm到百分比的寬濃度范圍，傳統(tǒng)TCD檢測器難以測定亞ppm級濃度水平的樣品，同時由于氫氣和氧氣的熱傳導系數(shù)差異，一般需要在每次分析中更換不同的載氣，因此，傳統(tǒng)上需要使用兩組分離柱和TCD檢測器進行檢測。本例中使用島津BID檢測器，則可通過一個檢測器實現(xiàn)亞ppm級到百分比濃度水平這樣寬范圍的氫氣和氧氣分析，同時也可兼顧其他氣體成分的分析。

圖4. ppm級濃度水平的H₂和O₂分析譜圖

圖5. %級濃度水平的H2和O2分析譜圖

2、氫氣制備副產(chǎn)物二氧化碳中的雜質(zhì)檢測

當前全球范圍內(nèi)絕大部分的氫氣是由煤、石油、天然氣等化石燃料制備的，這個過程中一般也會產(chǎn)生CO₂副產(chǎn)物，因此為了實現(xiàn)碳達峰碳中和的目標， “如何有效利用這些副產(chǎn)物CO₂“的研究工作在科研領(lǐng)域備受關(guān)注。食品級CO₂是碳酸飲料中的重要添加成分之一，利用工業(yè)回收CO₂進行資源化再利用生產(chǎn)食品級CO₂是落實節(jié)約資源和保護環(huán)境，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和變廢為寶的重要方向。我國對食品級CO₂質(zhì)量控制一直非常重視，相關(guān)標準涉及多項有機物雜質(zhì)的含量要求。如下是采用BID檢測器分析食品添加劑CO₂氣體中雜質(zhì)的應用案例。

圖6. 食品添加劑CO2氣體中雜質(zhì)分析色譜圖

此外，島津也可提供CO₂中痕量無機氣體、硫化物、輕烴、芳香族成分、醇類等應用方案。

3、燃料電池用氫氣中雜質(zhì)檢測

隨著氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展，其使用范圍逐漸擴展到家用燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車(Fuel Cells Vehicle，F(xiàn)CV)。如果FCV使用的氫氣含有一氧化碳等雜質(zhì)，將造成燃料電池內(nèi)部出現(xiàn)催化劑中毒，從而降低燃料電池的發(fā)電性能，因此需要使用高純度的氫燃料。在燃料電池汽車用氫燃料的國際標準《ISO 14687: 2019 Hydrogen fuel quality — Product specification》和國家標準《GB/T 37244—2018 質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》中，除了規(guī)定一氧化碳的最大濃度0.2ppm外，還規(guī)定了氧氣、二氧化碳和碳氫化合物等的最大濃度。常規(guī)來說，需要使用氣相色譜搭載TCD或PDD檢測器分析無機氣體，使用甲烷轉(zhuǎn)化爐和FID檢測器配合分析CO和CO2。本例中我們使用島津旗艦級氣相色譜儀Nexis GC-2030搭載 BID檢測器，可實現(xiàn)這些成分的高靈敏度同時分析（一般可達到0.1到1ppm的檢測下限）。

表1. 燃料電池汽車用氫燃料的國際和國內(nèi)標準中的質(zhì)控指標舉例

圖7. 氫氣中雜質(zhì)的同時分析色譜圖（Micropacked ST 色譜柱）

2019年氫能源寫入《政府工作報告》，將氫能納入中國能源體系之中，我國真正開啟氫能大發(fā)展元年，按照白皮書路線規(guī)劃，預計到 2050 年氫能在中國能源體系中的占比將達到約 10%。能源“十四五"規(guī)劃把氫能和燃料電池技術(shù)列為能源技術(shù)裝備的主攻方向和重點任務。氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳特點，推動交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。島津以BID檢測器為代表的創(chuàng)新氣相色譜技術(shù)將持續(xù)助力相關(guān)檢測工作，為行業(yè)發(fā)展作出貢獻。

參考資料：

1.https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202203/t20220323_1320038.html?code=&state=123

2. 島津應用No. G283. 對備受矚目的染料電池汽車用氫燃料中的微量雜質(zhì)進行分析。

3. 島津應用No.G297. Micropacked-ST微填充柱分離效率的比較。

4. 島津應用No. 10. 氣體中痕量雜質(zhì)的高靈敏度分析。

5. 約克和書的雪球?qū)冢瑲淠茉赐顿Y報告。

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