全球能源行業正經歷著以低碳化、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，成為我國節能減排和能源變革過程中非常重要的能源互聯媒介，受到越來越多的關注。2022年3月23日，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》。《規劃》提出了氫能產業發展各階段目標：到2025年，基本掌握核心技術和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設一批加氫站，可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年，實現二氧化碳減排100-200萬噸/年。到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系，有力支撐碳達峰目標實現。到2035年，形成氫能多元應用生態，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。

發展氫能產業，對構建清潔低碳安全高效的能源體系、實現碳達峰碳中和目標，具有重要意義。為了實現這個目標，技術創新在整個氫能產業鏈構建過程中至關重要。例如：在氫氣制備環節，通過研究提高制氫方法的效率，降低生產成本，基本達到零CO2排放；在氫氣儲運環節，通過不斷開發和完善氫氣質量檢驗方法，從各個方面促進氫氣交易的便捷性；在氫氣應用環節，通過擴展氫氣用于發電、供熱和化學品生產等多方面的用途，提高利用率。

圖2. 氫能全產業鏈圖示

島津長久以來一直致力于提高氣相色譜的性能，通過技術創新，不斷發展島津特色氣相色譜技術和產品。目前島津創新氣相色譜技術已經廣泛用于上圖所示的氫能產業鏈構建中，從介質阻擋放電等離子體檢測器（BID）、硫化學發光檢測器（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、副產物氫氣提純、生物質制氫外，現在光解水制氫因其環境友好等諸多優點受到越來越多的關注。這其中，高效催化劑開發、更高能量轉換效率和分離膜的研究，以及大規模低成本的探討是現在許多科學家的努力方向。隨著光解水制氫技術的不斷發展，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”發展，未來制氫領域將趨向于更加友好的道路。

光解水制氫產生的氫氣和氧氣一般在亞ppm到百分比的寬濃度范圍，傳統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差異，一般需要在每次分析中更換不同的載氣，因此，傳統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、氫氣制備副產物二氧化碳中的雜質檢測

當前全球范圍內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生CO₂副產物，因此為了實現碳達峰碳中和的目標， “如何有效利用這些副產物CO₂“的研究工作在科研領域備受關注。食品級CO₂是碳酸飲料中的重要添加成分之一，利用工業回收CO₂進行資源化再利用生產食品級CO₂是落實節約資源和保護環境，發展循環經濟和變廢為寶的重要方向。我國對食品級CO₂質量控制一直非常重視，相關標準涉及多項有機物雜質的含量要求。如下是采用BID檢測器分析食品添加劑CO₂氣體中雜質的應用案例。

圖6. 食品添加劑CO2氣體中雜質分析色譜圖

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檢測

隨著氫燃料電池技術的發展，其使用范圍逐漸擴展到家用燃料電池系統和燃料電池汽車(Fuel Cells Vehicle，FCV)。如果FCV使用的氫氣含有一氧化碳等雜質，將造成燃料電池內部出現催化劑中毒，從而降低燃料電池的發電性能，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 質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》中，除了規定一氧化碳的最大濃度0.2ppm外，還規定了氧氣、二氧化碳和碳氫化合物等的最大濃度。常規來說，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標準中的質控指標舉例

圖7. 氫氣中雜質的同時分析色譜圖（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展元年，按照白皮書路線規劃，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”規劃把氫能和燃料電池技術列為能源技術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，充分發揮氫能清潔低碳特點，推動交通、工業等用能終端和高耗能、高排放行業綠色低碳轉型。島津以BID檢測器為代表的創新氣相色譜技術將持續助力相關檢測工作，為行業發展作出貢獻。

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. 氣體中痕量雜質的高靈敏度分析。

5. 約克和書的雪球專欄，氫能源投資報告。

本文內容非商業廣告，僅供專業人士參考。