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孙公权:高温甲醇燃料电池技术

日期:2021-12-21    来源:中科嘉鸿

国际氢能网

2021
12/21
11:14
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关键词: 高温甲醇燃料电池技术 燃料电池产业 氢能经济

2021联合国开发计划署氢能产业大会于12月8日-10日在广东佛山市南海区西樵山文化中心召开。该大会由国家发展和改革委员会、国家能源局指导,联合国开发计划署、中国国际经济交流中心联合主办,广东省发展和改革委员会、佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府全面支持。

本次大会以“共创氢时代,同绘碳中和”为主题,来自全球组织机构、政府部门、科研院校、氢能与燃料电池产业重点企业的众多嘉宾共聚一堂,探讨在“双碳”背景下,中国氢能产业发展的新机遇。

在专题论坛中,业内顶级专家对氢能产业的前沿技术研究进展进行了分享。中科嘉鸿(佛山市)新能源科技有限公司董事长孙公权受邀出席本次大会,并在仙湖技术论坛上作了《高温甲醇燃料电池技术》主题报告。

主题报告《高温甲醇燃料电池技术》

▲中科嘉鸿董事长孙公权作主题演讲

(以下为报告原稿)

各位领导、专家、同仁,大家好!我叫孙公权,来自中国科学院大连化学物理研究所,也担任中科嘉鸿公司董事长。

今天我汇报的内容主要有以下几个方面:首先是国家战略需求。实现碳达峰、碳中和是我国向全世界作出的庄严承诺,也是一场广泛而深刻的经济社会变革,能源动力先行,这是义不容辞的。

从能源安全来看,我们国家石油进口总量去年是4.56亿吨,对外依存度高达70.24%,尤其是经过霍尔木兹海峡和马六甲海峡的占总进口数量的70%,因此石油替代和洁净能源开发迫在眉睫。

清洁能源有很多种,风电今年我国已并网的装机容量突破了3亿千瓦,连续12年在全球排名第一;太阳能装机容量也超过了2.5亿千瓦,增长24%。目前氢能的发电量还远低于这个值,但氢能有着特殊的战略意义,氢气可以燃烧,包括航天发动机,用液氢液氧,德国把氢气输入天然气管道作为燃料燃烧;氢气可以制备化学品,化工反应中的加氢反应众多;氢气可以发电,发电意义重大,在陆、海、空、天诸多领域均有广阔的应用前景。

实际上,氢能经济是上世纪70年代美国提出,基本想法是水在地球表面的储量巨大,我们常说“三山六水一分田”。1985年,国际上提出ITER计划,其思路是如果能把海水里的氢提取出来,人类的能源问题就解决了。当时的想法是用核聚变。2003年我国参加ITER计划谈判,2006年正式加入,目前项目取得了很大进展。今天氢能的内涵更加丰富,氢气的来源更广,包括利用太阳能光解水、电解水等等。

燃料电池1839年诞生,在应用方面,燃料电池输出功率从次瓦级到几十兆瓦,陆、海、空、天都有广阔的应用前景。我们之所以考虑甲醇燃料电池,是因为在几种主流的电源中,如超级电容器、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等,甲醇燃料电池的比能量非常高,可超过1kWh/kg。

燃料电池行业最近几年发展迅速,技术成熟度明显提高,商业化进程加快,今天汤老师和很多人都在谈产业化问题。市场方面,目前以低温氢燃料电池为主,复合增长率大于40%。甲醇燃料电池是后起之秀,市场份额比较低。过去几年里,燃料电池的资本投入累计超过3千亿元,新诞生企业几千家,尤其是最近几年国企、央企大批进入,对整个行业的发展无疑是有力地推进。国家政策持续利好,燃料电池汽车示范应用城市群目前已有三个,其中佛山市还是广东城市群牵头城市。

在电动车领域,在座的可能也有参与国家的几个五年计划。最近国务院办公厅印发的发展规划赋予“三纵三横”新的内涵,三纵包括纯电动汽车、插电式的混合动力汽车、燃料电池汽车。三横就是动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子以及新增加的网联化与智能化技术。

传统电池结构相对简单,而燃料电池链条较长。就燃料而言,气态燃料有氢气、氨气、天然气,液态燃料有甲醇、乙醇、燃油等,也有固态燃料,比如轻质金属镁、铝、锌等。

燃料电池产品开发包括关键材料、核心部件、系统集成等。智能管理方面,包括电池电控、能源管理、智能互联等。最后才能真正应用到电动车辆、船舶、机站等。

下面讲讲甲醇燃料的特点和经济性。我们讲氢能经济,大家考虑的都是如何利用氢气。氢气常温下是气态,它有很多优势但也有痛点。甲醇常温下是液态,除了可以解决氢气的储存、运输、加注等痛点之外,其实还有很多优势。作为储氢材料,碳氢化合物中最好的是甲烷,但是甲烷常温下是气态的,碳氢键断裂比较困难。作为液态燃料甲醇的储氢量是12.5%。国外储氢材料的储氢量约为1.4%,而国内储氢材料的储氢量约为1.2%-1.3%。甲醇、液化天然气、液氨、液氢等都是液态燃料,就能量而言,甲醇单位体积的能量密度优势明显,甚至高于液氢。

甲醇排放问题。甲醇反应会生成二氧化碳。随着技术进步,二氧化碳捕捉后,通过加氢反应可再生甲醇。最近几年国内也在倡导液态阳光,用绿氢产生碳中性的甲醇燃料。与汽油、柴油相比,甲醇的二氧化碳排放可以降低40%,硫氧化物、氮氧化物、颗粒物排放几乎为零。

甲醇安全性问题。由这个表可见,甲醇的安全性明显优于几种常规燃料。

甲醇的毒性问题。在水中,甲醇的半致死浓度比其它燃料好得多,其毒性远远低于汽油、柴油等等。

我们为什么要做甲醇燃料电池,尤其是高温甲醇燃料电池呢?我们来看一下,氢能经济现已得到了全球的青睐,其实如果把氢气换成甲醇,区别就是产物有二氧化碳,但随着二氧化碳捕捉利用等技术的发展,这也不是什么大问题。

2006年,诺贝尔奖得主南加州大学的George Andrew Olah率先提出甲醇经济,实际上,甲醇经济也是氢能经济的一部分。

低温氢燃料电池优势明显,能量转化效率高、环境友好,其痛点是氢气的制备、储运、加注比较复杂,对燃料气中一氧化碳含量比较敏感,通常小于10ppm。

高温甲醇燃料电池使用液态燃料,存储、携带、加注比较方便。提高温度后,一氧化碳问题几乎可以忽略,电极反应速率倍增。但耐高温聚合物电解质膜材料开发进展缓慢,国际上投入了大量人力财力,近几年有所突破。

甲醇燃料电池工作原理与常规的一次/二次电池相同,能量转化效率高;工作方式与汽油/柴油发电机相似,只要不断提供燃料则可持续稳定发电。甲醇燃料电池主要分为以下三种:一是直接甲醇燃料电池,我们研发了近三十年,其特点是燃料直接注入电堆,电池结构简单、使用携带方便、电池能量密度较高,但能量转化效率较低;二是甲醇通过催化重整,分离净化后进入低温PEMFC。由于重整气中一氧化碳含量高达几万ppm,通常需要多级分离净化,系统复杂,成本较高。三是高温甲醇燃料电池,由于耐高温电解质膜的诞生,电池抗一氧化碳能力大幅提升,甲醇燃料重整气直接通入高温电堆,省略了分离净化步骤,电极反应速率明显提高,近年来已成为国际研发热点之一。高温甲醇燃料电池技术体系与低温PEMFC类似,包括关键材料、核心部件、系统集成、智能控制,以及多能源组合利用等。

我们开展甲醇燃料电池研究开发近三十年,从电催化剂、电解质膜、膜电极、单双极板到系统集成、智能控制等,现已完成了电解质膜、多孔电极、膜电极、电堆生产线建设。授权专利230余件,获省部级以上奖9项,其中国家级奖项3项。

市场应用主要有电动车动力电源,船舶动力/辅助电源,小型分散电站等,我们的策略是开发1、5、10、30kW模块,基本可覆盖1-120kW的实际应用。

2016年,我们组装了第一台高温甲醇燃料电池驱动的乘用车,运行结果表明,硫氧化物、氮氧化物近零排放,百公里燃料消耗费小于20元人民币,3辆车在大连试运行,受到了专家同行的一致好评。此外,高温甲醇燃料电池在景区车、房车、工程指挥车、应急电源车等方面应用前景广阔。

在船舶动力/辅助电源方面。联合国海洋公约的颁布实施,对海洋环境要求越来越高。国际航运燃油多半采用重油,污染严重。

11月8日,我们研制的高温甲醇燃料电池游船,在丹灶仙湖下水,动力电源为25kW,辅助电源5kW以满足照明、空调、热水等需求。与传统燃油相比,优势明显。欢迎在座各位去仙湖亲自体验。

在小型分散电站方面,热-电联供的能量转换效率较高,应用前景广阔。

小结:我个人认为,氢能可能是能源的终极目标,低温PEMFC应用前景广阔;甲醇燃料电池优势明显,甲醇燃料资源丰富、价格低廉,跨越油气时代不可或缺;二次电池、低温PEMFC、高温甲醇燃料电池各有优缺,细分市场可能不同,但共存互补是大势所趋;燃料电池国家政策导向持续利好,希望大家携手并肩、通力合作、共创未来,谢谢大家。

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