生物质制氢技术全解析 ：现状、路径与挑战
在能源领域，生物质作为一种通过光合作用直接或间接生成的有机物质，涵盖了植物、动物、微生物及其排泄物与代谢产物，具有举足轻重的地位。由生物质蕴含的生物质能，经生物体光合作用将太阳能转化并储存其中，因其可再生及资源广泛的特性，成为重要能源来源。以我国为例，每年农作物秸秆可用于能源的资源量达2.8亿至3.5亿吨。值得一提的是，尽管生物质使用时会产生一氧化碳，但其二氧化碳排放源于大气，不会新增额外碳排放量。
生物质制氢作为生物质能利用的关键途径，主要分为热化学法制氢和生物法制氢两大技术阵营。
热化学法制氢
热化学法制氢包含多种技术手段，如生物质催化气化制氢、生物质热解制氢、生物油重整制氢等。将生物质转化为甲醇、乙醇，再通过蒸汽重整生成氢气，这是目前较为成熟的技术路线。
- 生物质催化气化制氢：该技术是把生物质置于空气、氧气或水蒸气等介质里，加热到800 – 900℃，促使其分解产生氢气、一氧化碳等气体。提升氢气产量，同时减少焦油等杂质生成是其技术关键。过程中产生的H₂S、HCl、碱金属、重金属等微量杂质，需借助吸附剂处理。
- 生物质热解制氢：在缺氧或少量供氧环境下，利用热能使生物质大分子碳氢化合物断裂，产出焦油、一氧化碳、氢气等。对生成的焦油进行二次催化裂解，还能进一步获取氢气。
- 生物油重整制氢：由美国国家可再生能源实验室（NREL）提出，先通过生物质热裂解得到生物油，之后再进行水蒸气重整制氢。
- 甲醇、乙醇制氢：鉴于生物质制取甲醇、乙醇技术已较为成熟，后续通过甲醇和乙醇蒸汽重整制氢也成为可行路径。
虽然热化学法在技术层面已具备一定可行性，甚至有商业化装置投入运行，但仍存在难题。与传统甲烷重整技术相比，生物质制氢成本偏高，经济竞争力不足。并且产物氢气含量较低，杂质较多，这些杂质会损害燃料电池，限制了其在对高纯氢有需求的场景中的应用。
生物法制氢
生物法制氢主要涵盖暗厌氧菌发酵制氢、光合生物制氢以及光合 – 发酵复合生物制氢三条技术路线。
- 暗厌氧菌发酵制氢：厌氧微生物借助氮化酶或氢化酶降解有机物来生成氢气，该过程不依赖光能。参与此过程的微生物包括专性厌氧菌、兼性厌氧菌以及少数好氧菌。
- 光合生物制氢：包含光解水制氢和光发酵制氢。光解水制氢依靠蓝藻、绿藻等光合微生物分解水生成氢气；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促使氢气生成。
- 光合 – 发酵复合生物制氢：融合了暗发酵和光发酵的优势，既能减少对光能的需求，又能提高氢气产量，有望成为未来生物质制氢的发展方向。
当前，暗发酵制氢已步入中试阶段，但距离工业化生产，还需进一步提升效率、降低成本。而光发酵和复合生物制氢技术仍处于实验室研究阶段。
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