電導率在綠色制氫中的重要性

氣候變化和在全球范圍內(nèi)向碳中和社會轉(zhuǎn)型的必要性是不可否認的事實。

其中一種替代燃料是氫氣，它的優(yōu)點是不產(chǎn)生碳或氮等副產(chǎn)品。另外，氫作為燃料來源還有其他優(yōu)點，比如擁有相較于石油燃料三倍的質(zhì)量能量密度，并且它可以從水、污水污泥、生物燃料、天然氣和石油等多種來源中提取。

通過分解水來生產(chǎn)氫氣會具有吸引力的原因有很多，其中最重要的是地球上有豐富的水資源，提供了目前看來可持續(xù)的氫氣來源。隨著最近在電解制氫技術(shù)的進展，本地生產(chǎn)供現(xiàn)場使用的氫氣現(xiàn)在是一種可行的、甚至是首選的選擇，并且非常適合利用可再生能源（例如太陽能、風能）間歇性生產(chǎn)氫氣。間歇性可再生能源產(chǎn)生的能量，其形式（氣體）易于存儲和使用，是燃料電池的理想選擇。此外，從風能、太陽能等可再生能源生產(chǎn)氫氣，為世界可持續(xù)能源發(fā)展展現(xiàn)了巨大前景?！熬G氫”一詞用于表示氫氣來自可再生來源。雖然氫氣是一種無色、無味的氣體，但它已被分類為不同的顏色以表示其生產(chǎn)來源。

下圖顯示了當今生產(chǎn)中的各種類型的氫氣的功效及其顏色編碼。

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綠色

按照規(guī)定，綠色氫來自電解水，該過程所用的電力來自可再生能源。它在發(fā)電過程中不產(chǎn)生溫室氣體，也不因使用過程中排放溫室氣體。由于生產(chǎn)成本較高，目前綠色氫僅占氫氣生產(chǎn)總量的一小部分。然而，隨著技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的進步，成本將會降低。

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藍色

藍色氫來自脫碳來源，例如通過蒸汽或脫碳煤氣化進行甲烷重整。在這過程中會產(chǎn)生二氧化碳，，這與制氫作為碳中和替代能源的初衷背道而馳。，因此碳捕捉與儲存至關(guān)重要。

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棕色/黑色

棕色和黑色氫通常來自煤的氣化，沒有藍氫的碳捕獲的部分。這種氫源與綠色氫完全相反，因為它在此過程中會產(chǎn)生溫室氣體。

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灰色

灰氫是由甲烷或天然氣（不是煤）的蒸汽重整產(chǎn)生的但沒有進行脫碳（碳捕獲）。這是目前最常用的氫氣來源；然而，它仍然會產(chǎn)生一些溫室氣體。

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藍綠色

藍綠色氫是最新的制氫形式，尚未用于大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。它利用某種形式的甲烷熱解來產(chǎn)生氫氣和固體碳，因此可以捕獲一些碳。隨著技術(shù)的進步，當使用可再生電力和永久碳儲時，這可能是一種低碳排放的制氫方式。

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粉色/紫色

被稱為紫色、粉紅色或紅色氫，這是利用核電產(chǎn)生的氫。此外，由于核反應(yīng)堆中形成的高溫，也可以通過甲烷的蒸汽重整產(chǎn)生氫氣。

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白

白氫是在地殼沉積物中發(fā)現(xiàn)的天然存在的（即地質(zhì)）氫。通常用水力壓裂技術(shù)來開采，目前沒有策略來利用這種形式的氫氣。

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為簡潔起見，本文將僅關(guān)注綠色氫及其生產(chǎn)和使用所需的一些技術(shù)。

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氫生產(chǎn)和氫使用中管控的兩個關(guān)鍵點

這兩個關(guān)鍵點的嚴格控制和自動化對綠氫生產(chǎn)使用來說，非常有幫助，甚至必需的：

第一個是電解超純水（UPW）產(chǎn)生氫氣的過程，

第二個是燃料電池監(jiān)測，特別是像PEM（質(zhì)子交換膜）燃料電池的液冷系統(tǒng)。

如果采用蒸汽重整（例如，藍氫），則還需要額外的控制，因為用于控制蒸汽形成中使用水的過程將需要額外的標準，類似于基于蒸汽的發(fā)電廠。

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氫生產(chǎn)：三種常見的氫氣生產(chǎn)方法

目前有三種成熟且常見的制氫方法：堿性電解（AEL或稱ALK），固體氧化物電解（SOEL或稱SOEC）和質(zhì)子交換膜電解（PEMEL或PEM）。

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堿性電解（AEL或稱ALK）使用在氫氧化鉀或氫氧化鈉的液體堿性電解液。電極由隔膜隔開，將產(chǎn)出氣體分開，并將氫氧根離子(OH?)從一個電極傳輸?shù)搅硪粋€電極。這是一種相對低溫、中高效率的制氫方式，是目前市場上最成熟、最常用的技術(shù)。雖然制造成本低于基于PEMEL的系統(tǒng)（使用鎳和鎳鉑催化劑），但它們的效率不如PEMEL電解槽堆棧高。

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固體氧化物電解（SOEL或稱SOEC）以固體氧化物或陶瓷為基礎(chǔ)，在高溫下電解水。通常，這些電解槽的工作溫度為500-850°C。電解槽的一般功能是通過多孔陶瓷層輸送蒸汽并施加電壓，從而產(chǎn)生氫和氧離子，并通過致密電解質(zhì)擴散，隨后提取并處理氫氣。電解質(zhì)必須足夠致密，以使氧原子和H2氣體不會立即重新結(jié)合。氧原子一旦從電解質(zhì)-陽極界面脫離，就會進一步氧化形成氧氣，并被收集起來。雖然這是最廣泛使用的生產(chǎn)氫氣的方法，但陶瓷是由釔或鈧等稀土金屬制成的，生產(chǎn)成本很高。但基于SOEL的系統(tǒng)仍具有一些優(yōu)勢，包括能夠在再生模式下使用（這意味著它們能夠產(chǎn)生氫氣以及能夠像燃料電池一樣發(fā)電），并且可以與蒸汽產(chǎn)生能源系統(tǒng)結(jié)合使用以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式最大限度地提高能源效率。此外，研究仍在繼續(xù)尋求天然能源或蒸汽（例如地熱），以提高效率，并使這項技術(shù)更加環(huán)保。

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質(zhì)子交換膜電解（PEMEL或PEM）與前面提到的其他技術(shù)類似，它電解水形成氫氣和氧氣。該系統(tǒng)使用陽極和陰極系統(tǒng)來施加電壓，但不同之處在于它使用固體聚合物電解質(zhì)來進行氫離子的轉(zhuǎn)移，以及對陽極與陰極的進行電氣隔離（絕緣）。這項技術(shù)早在20世紀60年代就已出現(xiàn)1，由通用電氣公司開發(fā)，旨在克服堿性電解的缺點?；赑EM的電解具有多個優(yōu)點，包括運行成本低、效率高以及可以在非常高的電流密度下運行。此外，由于聚合物絕緣體的固體結(jié)構(gòu)，該過程產(chǎn)生的氫氣非常純凈，這使其非常適合用于氫燃料電池。

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所有這些技術(shù)都使用多個電解槽的堆疊來產(chǎn)生大量的氫氣。對于基于SOEL的系統(tǒng)，電池堆可以在再生模式下使用，然后產(chǎn)生電力而不是消耗電力。從能量上來說，這是一種增加，因為用于制造氫氣的電力少于蒸汽最初為整個過程提供能量時產(chǎn)生的能量/電量。

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氫使用：如何使用效率高？需要什么管控？

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清潔氫的主要用途是發(fā)電，通常通過氫燃料電池發(fā)電。雖然大多數(shù)人都知道氫氣的可燃性，甚至爆炸性（例如興登堡災(zāi)難），但像當今汽油驅(qū)動的內(nèi)燃機那樣燃燒氫氣作為燃料，是一個非常低效的過程。再加上內(nèi)燃機在能量轉(zhuǎn)換方面的效率只有20%左右，而且氫的體積能量密度比汽油低，這意味著， （同樣大的油箱）以這種方式燃燒氫的效率極低。然而，通過燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能的效率非常高，在50-60%范圍內(nèi)。因此，好處是顯而易見的，燃燒化石燃料的效率只有20%，還會產(chǎn)生溫室氣體，而氫燃料電池的效率只有50-60%，其產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品是水。

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大多數(shù)大型制氫電解或燃料電池堆系統(tǒng)都需要超純水（UPW）用于電解槽，水或乙二醇等水混合物用于冷卻燃料電池堆。由于水質(zhì)和冷卻系統(tǒng)對于系統(tǒng)使用壽命的重要性，因此需要可靠的監(jiān)測方法來確定UPW或冷卻系統(tǒng)是否存在問題。其中包括檢測用于產(chǎn)生氫氣的超純水中的污染、檢測泄漏或冷卻突然喪失以及系統(tǒng)內(nèi)冷卻劑可能受到污染（這會降低其冷卻效率）的方法。

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電導率傳感器可用于污染物監(jiān)測！

電導率（離子含量的量度）是水純度分析中廣泛使用的分析參數(shù)，易于安裝使用，并且易于連續(xù)監(jiān)測和驗證您的水系統(tǒng)，避免故障、停機和潛在的災(zāi)難性的催化劑破壞。

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測量溶液離子含量的常用技術(shù)有三種：2電極、4電極和感應(yīng)電導率。在本文中，我們僅考慮2電極傳感器，因為它們最適合超高純水典型的較低電導率范圍。在雙電極傳感器中，在兩個電極之間施加交流電壓，并測量它們之間的電阻。梅特勒托利多Thornton擁有先進的電導率傳感器設(shè)計，采用UniCond?電導率/電阻率傳感器，將測量電路和物理傳感器集成到一個單元中。

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UniCond電導率/電阻率傳感器由于其先進的內(nèi)置測量電路而提供極寬的測量范圍。該電路消除了引線電阻和電容的干擾，從而可以將穩(wěn)定的數(shù)字信號發(fā)送到變送器。單個UniCond 2電極傳感器可以精確測量從超純水到微咸水（高達50,000μS/cm），僅使用一種傳感器類型即可實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

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監(jiān)測超純水污染情況，避免催化劑損耗風險

在制氫時需要使用超純水，因為非純水中的任何污染物最終都會污染用于電解的催化劑。這些可能導致效率降低，并最終喪失催化作用。催化劑材料（即稀土金屬）損耗和氫氣生產(chǎn)損失是非常昂貴。此外，將超純水與質(zhì)子交換膜電解槽（PEMEL或者PEM）結(jié)合使用是一種易于實施的系統(tǒng)，隨著水凈化技術(shù)（生產(chǎn)UPW）的廣泛使用，將這兩種技術(shù)集成在一起就可以形成一個全套解決方案。

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監(jiān)測冷卻液污染情況，確保冷卻效率與安全

在這些系統(tǒng)中采用電導率傳感器的另一個作用是來檢測燃料電池堆中使用的冷卻劑中的污染物。雖然超純水的污染相對容易測量，但識別冷卻液管路中的污染（可能是乙二醇:水的混合物）并不總是那么簡單。由于乙二醇：水混合物的高電阻率，這些傳導單元是特有的，因此需要工廠進行的不同配置（不同的電極常數(shù)）。梅特勒托利多Thornton UniCond電阻率/電導率傳感器是純水、超純水、水性混合物（例如乙二醇）系統(tǒng)以及需要精確電導率和溫度測量的水性工藝的理想解決方案。這些傳感器有多種尺寸和材料可供選擇，以及高電阻率解決方案所需的不同電極常數(shù)。多種型號最大限度地減少了將這些傳感器安裝到UPW回路或冷卻劑流的各個測量點的工程工作量。

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電導率監(jiān)測應(yīng)用的總結(jié)

各種數(shù)字或模擬傳感器和相應(yīng)變送器可連接到PLC以進行決策，例如在發(fā)生流體故障或污染時緊急關(guān)閉或切換到備用系統(tǒng)。

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為什么要推薦使用數(shù)字傳感器？

上述梅特勒托利多的解決方案都有一個明顯的優(yōu)勢：它們是數(shù)字化的，可以遠程安裝（相較于模擬傳感器，信號不因距離變長而衰減），這意味著PEM燃料電池堆內(nèi)的冷卻單元可以報告其狀態(tài)（即流量、電導率、溫度等）到安全距離的遠程終端或機械室。此外，數(shù)字檢測意味著可以將邏輯控制應(yīng)用于系統(tǒng)，以便在發(fā)生災(zāi)難性泄漏（即檢測到零流量）時，在電解槽或燃料電池堆因過熱而產(chǎn)生任何損壞之前立即關(guān)閉系統(tǒng)或激活備用系統(tǒng)。

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優(yōu)勢總結(jié)

總之，梅特勒托利多可提供多種的傳感器選擇，包括配件及不同材料，并且通過變送器配置以進行遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)報告。如果監(jiān)測點距離 PLC或監(jiān)控計算機有相當遠，那么這是一個相當方便的選擇。

·?????? 高性價比

o?? 合理維護的超純水系統(tǒng)和電解槽效率更高，因此運行成本更低。

o?? 相比電解槽損壞的替換成本和收入損失，而傳感器只占成本的一小部分。

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·?????? 易于安裝在閉環(huán)系統(tǒng)中進行在線監(jiān)測

o?? 提供多種尺寸和材料的傳感器供選擇，可以降低流量計或電導率傳感器的工程成本。

o?? 提供多種尺寸和材料的電導率傳感器供選擇，可以應(yīng)對不同流體類型（例如，水、乙二醇），也就是說，可以采用同一種技術(shù)來應(yīng)對冷卻回路和超純水回路的污染監(jiān)測，簡化設(shè)計。

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·?????? 可遠程安裝到堆棧的全數(shù)字解決方案

o?? 可以遠程監(jiān)測和記錄多個參數(shù)，包括電導率（即污染）、溫度和冷卻液流量（包括“0流量”）。

o?? 來自傳感器的數(shù)據(jù)可用于趨勢和分析。

o?? 可以對基于PLC的決策和自動配對關(guān)閉或自定義其他轉(zhuǎn)移選項。

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·?????? 根據(jù)需要安裝的通道/傳感器數(shù)量，提供各種變送器選項

o?? 溫度、流量和電導率的數(shù)據(jù)集成、顯示在單個變送器中，從而節(jié)省空間和成本。

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立即聯(lián)系梅特勒托利多Thornton，討論更適用于您應(yīng)用的流量或電導率傳感器，如防爆型號等。

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引用

1拉塞爾;納托爾LJ;菲克特美聯(lián)社（1973）?！肮腆w聚合物電解質(zhì)水電解制氫”。美國化學學會燃料化學分會預印本

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M300變送器

?用戶友好的操作界面，觸摸屏清晰顯示重要的傳感器和水分析結(jié)果。

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?與采用數(shù)字和模擬技術(shù)的pH、溶解氧、溶解臭氧和電導率傳感器兼容。

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?預測性診斷可幫助您管理維護工作并延傳感器使用壽命。

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www.mt.com/M300

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Unicond 電阻率傳感器

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?通過測量廣泛的水純度范圍來減少設(shè)備庫存。

?先進的測量技術(shù)有助于在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)卓越的精度。

?性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器：傳感器頭內(nèi)置測量電路和模數(shù)信號轉(zhuǎn)換

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www.mt.com/UniCond