氢能产业技术.pptx

1、氢能产业技术国内外进展1我国氢能系统规划路线2我国氢能关键零部件规划路线3我国氢能动力系统及成本规划路线4我国氢燃料电池整车规划路线5一.制氢技术制氢方法制氢原料天然气重整Steam reforming天然气部分氧化 Partial oxidization化石燃料Fossil fuels天然气热解煤气化Thermal crackingCoal gasification电解水Water electrolysisThermolysis水Water热解水热化学循环光催化分解Thermal chemical cyclesPhotolysis生物质Biomass微生物发酵生物质气化H2S热解Bacter

2、ia fermentationBiomass GasificationH2S pyrolysis其他Others化工尾气H2 from ChemicalIndustry焦化行业尾气 H2 from coke industry当前各种主流制氢技术制氢方法优点缺点化石燃料重整、气化制氢原料属不可再生能源，储量有限，有技术成熟，可满足近期所需CO2、污染物排放技术比较成熟，工艺简单，无污染，可制备高纯度氢电解水制氢生物质制氢光解水制氢电耗巨大，能量利用效率只有20-30%反应温和能耗低，资源广储量大无污染，有工业应用潜力产氢速率较慢，生物氢气需脱碳提纯光能转化率和产氢速率低，离实用距离尚远需要250

3、03000高温，近期可行高温热解水制氢原理简单，理论技术成熟性较小热化学硫碘循环水分解制氢反应温和，可匹配核能、太阳能作为热源等，热效率较高HI分解速率低，流程复杂，需研制耐腐蚀高温材料和设备1.1 化石燃料制氢 目前全球H2产量在5千万吨/年左右，且年增长率6%7%。全球商业用H2大约96%由煤、石油和天然气等化石燃料制取。我国生产的H2有80%以上用于煤气化合成氨工业。世界产氢原料对比天然气制氢反应装置煤气化制氢固定床气化炉流化床气化炉气流床气化炉C+O2=CO2CO2+C=2COC+H2O=CO+H2Lugi固定床干态排渣气化炉Winkler CFB gasifier1.2 电解水制氢1

4、碱式电解槽组成：电源、电解槽、电解液、阴极、阳极和横膈膜；2电解液为浓度2030%(w/w)KOH；3隔膜由石棉组成分离气体；4电极由金属合金组成:Raney Ni、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe等.2H O 2e H 2OH阴极阳极 目前电解法仅占氢气总产量4%：22纯度高、能耗高、成本较高。2OH O H O 2e1222 电解效率7585%，电耗：4.5kWh/m3-H2，电费占成本80%。工业电解水制氢装置目前广泛使用70-80碱性电解水制氢装置，正在研制120-150碱性电解水制氢装置。装置组成：水电解槽、气液分离器、气体洗涤器、电解液循环泵、压力调整器、仪表电源设备等国内外PEM电解

5、水制氢设备性能对比产氢量（Nm3/h）电流密度 电解效 氢气出口压力单位类型设备型号氢气纯度综合耗电量网站(A/cm2)率（bar）HySTAT-x-30系 300;1000;55.05.4KWh/Nm399.9980%030https:/ PEM水电解限公司solutions/industrial-hydrogen-generators-by-electrolysis/HyLYZER-400-4040099.9980%99.9995%030305.2KWh/Nm3StableFlow200https:/ 99.9995%10；20；30 99.9998%13.830proton-site/2

6、；4；699.9995%15；30中船重工718研究所PEM电解制氢设备http:/ Power公司提供浙江大学PEM电解水制氢实验装置氢气分析仪阴极端板阳极端板垫圈电化学工作站PEM电解槽阴极扩散层阳极扩散层阳极端盖/储水槽膜负载催化剂1.3 生物质制氢暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H2、小分子有机酸底物多元化H CO2、2底物转化率、产氢率优点提高2-3倍2010年全国大学生节能减排竞赛一等奖生物质暗光发酵耦合产氢和CO2综合利用系统（1）CH O 2H O2CH COOH+2CO 4H26126232光（2）2CH COOH4H O 4CO2 8H232总(3)6C

7、O+6H O=C H O+6226 12 6O2总反应：H O=H+0.5O222国家重点研发项目：杭州环境集团餐厨垃圾厌氧发酵联产氢气和甲烷示范工程 技术关键：500m3产氢发酵罐连续稳定运行，以及产氢罐和产甲烷罐耦合生物天然气开汽车的示范工程日产生物天然气量6万m3/天，可供应南宁市2000辆出租车代油使用(目前已实际运行400辆)，则每辆出租车节省燃料费3000元/月。燃气比燃油减排CO和HC量约70-90%，减排SO 量90%，减排NO 量39%，减排PM2.5量30-40%，减排CO 量24%。2X2191.4 热化学循环分解水制氢热化学硫碘循环水解制氢(1)I+SO+2H O H

8、SO+2HI22224(2)H SO SO+H O+1/2O24222(3)2HI I2+H2 热化学硫碘开路循环将反应温度从循环能源利用效率对比950降低至500，实现H SO 和研究团队24最高51%57%最合理33%36%34%H2联产系统效率达66.79%；Goldstein et al.Kasahara et al.Lee et al.采用电厂供热的氢气成本为8.17元/kg，可利用冗余水电和风电等进行电解水制氢（传统，成熟，电耗高），发展下游新能源汽车产业。47%48%51.1ZJU SI cycleZJU open loop cycle66.79%50 L/h浙大已建成 热化学循

9、环制氢系统三大模块设备：Bunsen反应、HI分解、硫酸分解模块电网公司风光电解水制氢储能前景广阔 现阶段基于H2化学能的大规模风光储能：电网电网碱性电解槽压缩H2高压储存SOFC发电 中长期风光电解水制氢储能研发方向：PEM聚合物电解槽，提高能量效率90%以上；SOFC固体氧化物燃料电池，提供能量转换效率80%(充分余热回收）；经济可靠的液体或固体储氢技术；H2能耦合峰谷电、风光电，实现整体储能效率60%。新型的经济制氢方法，加氢站的设计及建设布局。二、氢能储运安全2.1全球燃料电池汽车加氢站现状23日本、美国和欧洲的加氢站规划24我国目前加氢站的建设情况25加氢站工艺流程气源调压（计量）装

10、置加气系统干燥系统氢燃料电池汽车氢气压缩系统储气高压区中压区低压区系加氢站主要设备：泄气柱、压缩机、储氢罐、加气机、管道、控制系统、氮气吹扫装置及安全监控装置统26美国能源部2020年储氢技术目标gravimetric capacity:5.5wt%volumetric capacity:40g/Loperating temperature:-4060Cmax.delivery pressure:12 bar常温常压下氢气密度:0.089 g/L6kg氢气的体积：5米直径的球提升压力至700 bar:150 L制氢27储氢用氢储氢技术：安全高效、高密度、低成本（绝大多数加氢站和氢能源汽车都采用

11、高压储氢）1、高压容器储氢(3570MPa)，储氢密度1.05.7wt.%优点：储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装和排放速度快，技术成熟成本低缺点：安全要求高，体积储氢密度较低应用：绝大多数氢能汽车、燃料电池电站、通讯基站应急备用电源、加氢站2、低温液氢储存（-253），储氢密度5.7wt.%优点：体积储氢密度高、液态氢纯度高缺点：液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂应用：航天试验液氢燃料，民用少3、金属氢化物储氢，储氢密度1.04.5wt.%优点：氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；缺点：重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求应用：未来重要发展方向、燃料电池氢源系统28储氢技术原

12、理方式对比车载气态储氢罐 液态储氢罐固态材料储氢金属镁体积密度高(70g/L)体积密度低需要高压力压缩氢气能耗较高储氢密度潜在能力高但综合性能距离目标值仍然很远压缩冷却液化能耗更高(约1/3所制得液氢的燃烧热值)29压缩氢气与储氢材料性能对比2.2 高压储氢：常温高压氢脆是技术瓶颈工况：常温、高压、高纯氢气特征：材料塑性降低、裂纹扩展速度加快31金属材料氢脆过程H with GBOxide film：HydrogenH with dislocationPlastic bluntingDiffusionH moleculeAdsorptionH2 pressureStresstriaxialit

13、yDiffusionImpurity moleculeH withPrecipitate/InclusionH with SFH with vacancy322017年12月发布，2018年7月实施 工作压力：25/35/50/70Mpa A类35MPa，B类35MPa 水容积：A类450L；B类230L 设计使用年限：A类15年；B类10年 使用温度：-4580浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术研制成功高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器及安全性能检测装置。创新性提出了全多层高压容器结构，将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合。3435MPa车载储氢和45MPa

14、站储氢技术建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构材料工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄（0.5mm）铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术，实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。35高压储氢的技术标准要求金属材料与高压氢环境相容性：为使高压氢系统长寿命、安全、可靠地运行，世界各国标准均要求金属材料与高压氢环境具有良好的相容性。测试要求：测量氢致裂纹应力强度因子 KIH、疲劳裂纹扩展速率等。国家/国际标准制订:国家标准 氢系统安全基本要求（国家标准计划编号：20083230-T-469）国家标准 车载纤维全缠绕高压储氢气罐（国家标准计划编号：20074743-Q-469）国际标准

15、 站用高压氢气储罐（国际标准提案编号:ISO/TC197 N 436)与法国液空公司（Air Liquid）等国际名企一起，将我校自主研发的“全多层多功能高压氢气储罐”纳入国际标准。国际标准 轻型燃料电池车用低压储氢容器362.3 固体材料储氢 较理想的储氢反应温度：100C附近 较理想的储氢反应压力：10 atm 左右 动力学，速度功率 可逆性，可逆程度 材料工作寿命 物理吸附储氢其他实际因素考虑：成本，安全基于分子间作用力需要较低温度和较高压力至今仍未有完美的储氢材料！化学吸附储氢基于原子间的化学键合力需要较高温度实现循环37不同储氢材料的储氢能力比较技术关键：体积密度重量密度可逆性38储

16、氢材料的热力学性能39储氢材料的动力学性能 Kinetic properties Kinetic process Different kinetic models Reaction barrier:Activation energy金属-氢反应过程中体系自由能变化More difficult duringdehydrogenation thanhydrogenation40传统合金储氢材料AB-LaNi(MmNi Mx)555-xNi-MHBatteries储氢量1.5wt%、动力学好、较贵AB-ZrCr(Ti Zr CrMn)221-xx储氢量2.0wt%、动力学好、昂贵、难活化AB FeT

17、i储氢量1.8wt%、动力学好、易中毒、歧化A B-Mg Ni22储氢量3.6wt%、动力学差Mg 储氢量7.6wt%、动力学很差（约400oC、30 atm)41近年发展的物理吸附储氢材料 Carbon,MOFs,zeolites,porous polymers,Adsorption enthalpies:2-5 kJ/mol H2Liquid N2 temperature Capacity limited by specific surface area(SSA),pore structure and pore sizes Ideal materials:High SSA,pore siz

18、e 1 nm Better measured with up to 210 MPa H2,using IUPAC“excess hydrogen materialcapacity”.H2 uptake capacities at 77K and BET surface areas of Goal:higher capacity up to 10wt%at 2-3MPavarious MOFs42近年发展的化学储氢材料 Hydrolytic Hydride Systems 氢化物水解体系 NaBH4:Usually irreversible Reversible Hydride Systems

19、可逆储氢体系 Interstitial Metal hydridesAB(LaNi),AB(A=Ti,Zr,Mg;B=V,Cr,Fe,Mn),AB 5523 Salt-like MgH2:high cap.,low cost,env.friendly,good reversibility NaAlH4 Irreversible Hydride Systems 非可逆储氢体系 LiAlH,LiBH,Mg(BH)444 2 Amine-Borane Adducts:NH3B3H7,胺硼烷 Amides/Imides氨基化合物，酰亚胺等43三、氢燃料电池系统化学总反应式：2H+O=2H O+电+热2

20、22氢燃料电池是将氢气和氧气化合产生电、水、热的电化学装置。只要保证燃料供给，氢燃料电池将会连续发电。整个化学反应过程安静、无污染，电池效率比化石燃料燃烧高23倍，能量转换效率可达8090%。44燃料电池分类45五种燃料电池的优缺点46燃料电池的技术难点473.1质子交换膜燃料电池构造原理48质子交换膜燃料电池的阴阳极反应PEM fuel cellLoadCarbonblacke-PlatinumCatalystH2AirAnodeH+CathodeNISTBipolar Gas Diffusionplate LayerMembraneElectrodeAssemblyGas Diffusio

21、n BipolarLayer plateAnode ReactionCathode ReactionO+4H+4e-2H O2H2 4H+4e-2249质子交换膜燃料电池的结构组成NREL50质子交换膜PEM(proton exchange membrane)作用：电解质，传导质子，隔离反应气体 要求：稳定不降解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小，强度高 材料：Nafion Dow膜，复合膜，BaM3G膜51催化层CL(Catalyst layer)作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；材料：Pt/C,Pt-Ru/C 载

22、体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须 最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术 催化剂最先进的是“壳核”结构52气体扩散层GDL(gas diffusion layer)作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水 要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布53流场板FP(Flow Plate)对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate 作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金54燃料电池系统集成GM FCUS fuel cellBMW，5 GT丰田55燃料电池系统集成HD6

23、ballard新源动力Flow CathIntellagent energy56燃料电池系统集成573.2 车用燃料电池系统工作原理583车用质子交换膜燃料电池的工作原理59车用质子交换膜燃料电池的工作原理60车用高压储氢罐的外观结构61车用高压储氢罐的工作原理62车用高压氢气储罐的性能特点气瓶瓶身常规运作压力储存密度边缘部分顶部内部体积氢气储存量内衬塑料膜(密封氢气)炭纤维塑料层（确保压力的存在）玻璃纤维塑料层（保护表层）车用液态氢气储罐的性能特点内部容器超绝缘体液体深位探测外部容器充气线悬浮气体萃取液体氢气-253摄氏度萃取液体充气部分安全阀门气态氢关闭阀门电子加热冷却水热交换器换向阀（气

24、态/液态）643.3 燃料电池整车构造原理日本丰田Mirai燃料电池汽车65日本丰田Mirai燃料电池汽车的内部构造66燃料电池汽车的氢气储存过程67燃料电池汽车的氢氧反应产电动力系统基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。68燃料电池客车构造工作原理电动机驱动子系统车轮制动踏板电动机控制器车辆控制器电机机械传动装置加速踏板车轮燃料电池系统电子接口设备功率控制单元辅助电源方向盘温度控制单元峰值电源能源子系统辅助子系统69燃料电池客车的系统构型驱动电机额定100kW最大180kW上海神力燃料电池130kW双向DC

25、DC放电：50kW充电：20kW镍氢或锂离子电池80100Ah200250V目标样车70丰田燃料电池车市客车FCHV71德国奔驰燃料电池城市客车72国内外典型燃料电池乘用车的性能参数对比73我国正式生产的燃料电池车型74中国近年燃料电池汽车的三大技术突破753.4 燃料电池汽车安全系统76燃料电池车与传统汽油车失火对比照片1时间:0分0秒氢燃料 照片2时间:0分3 秒两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量680CC/min车辆在左边，汽油车辆在右边77燃料电池车与传统汽油车失火对比照片 3 时间:1分0 秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大照片4 时间:1分30秒78燃料电池车与传统汽油车失

26、火对比照片 5 时间:2 分20秒 内部爆燃照片 6 时间:2 分40秒 驾驶座侧后轮胎爆裂79燃料电池汽车抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）80燃料电池汽车抗冲击和耐高温测试抗冲击测试后进行评估 高压氢气罐耐高温测试81四、燃料电池汽车产业发展碳布/碳网催化剂膜电极端板质子交换膜双极板密封圈气体扩散层电堆客车轿车氢能源(制氢、储运）叉车加氢站燃料电池系统应用机车空压机增湿器固定式电源系统辅件便携式电源氢循环系统DC/DC氢燃料电池产业链构成82我国氢能与氢燃料电池产业链的主要生产企业83氢燃料电池系统的主要企业及产品参数企业功率（KW）运行/储存温度（）应用30、6045-2045/-

27、3045-2045/-2045-2045/-3045北京艺华通新源动力商用车、乘用车商用车、乘用车商用车、乘用车商用车、乘用车无人机、通信基站商用车30、6016、30、450.03、531上海重塑北京蓝吉-540上海攀业-1042/042-1042大连光阳机电上燃动力06商用车观光车、叉车、备用电源510-1042苏州弗尔赛3010、30175-1045/-4060-2040江苏索尔北京氢能北京碧空商用车商用车发电系统、备用电源1.2、2、4、6、10、-1045武汉众宇无人机、备用电源10050、175-2040南通泽禾浙江南都发电系统、备用电源845050/-1050通信基站2018-2019年我国氢燃料电池汽车产量852019年我国氢燃料电池项目产业进展862019-2020年我国燃料电池汽车产业发展趋势87我国燃料电池汽车的产业发展目标88未来氢能社会带来的产业变化能源结构氢能作为动力燃料取代石油氢能作为分布式供能燃料取代或部分取代天然气、煤装备制造带动制氢、存储、运输等环节及相关装备制造业发展终端 带来汽车、船舶、军工等动力系统革命及分布式供能、应用 应急电源等变革。89谢 谢 大 家90