1、单击此处添加副标题内容氢能产业技术国内外进展2 0 2 0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化石燃料Fossil fuels天然气重整Steam reforming天然气部分氧化 Partial oxidization天然气热解 Thermal cracking煤气化 Coal gasification制氢原料一一. 制氢技术制氢技术制氢方法水Water生物质Biomass其他Others电解水热解水热化学循环光催化分解微生物发酵生物质气化H2S热解化工尾气焦化行业尾气Water electrolysisThermol
2、ysisThermal chemical cyclesPhotolysisBacteria fermentationBiomass GasificationH2S pyrolysisH2 from ChemicalIndustryH2 from coke industry制氢方法优点缺点化石燃料重整、气化制氢技术成熟，可满足近期所需原料属不可再生能源，储量有限，有CO2、污染物排放电解水制氢技术比较成熟，工艺简单，无污染，可制备高纯度氢电耗巨大，能量利用效率只有20-30%生物质制氢反应温和能耗低，资源广储量大产氢速率较慢，生物氢气需脱碳提纯光解水制氢无污染，有工业应用潜力光能转化率和产氢速率
3、低，离实用距离尚远高温热解水制氢原理简单，理论技术成熟需要25003000高温，近期可行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当前各种主流制氢技术当前各种主流制氢技术1.1 化石燃料制氢化石燃料制氢目前全球目前全球H2产量在产量在5千万吨千万吨/年左右年左右，且年增长率，且年增长率6%7%。全球商业。全球商业用用H2大约大约96%由煤、石油和天然气由煤、石油和天然气等化石燃料制取。等化石燃料制取。我国生产的我国生产的H2有有80%以上用于煤气化合成氨工业。以上用于煤气化合成氨工业。世界产氢原料对比天然
4、气制氢反应装置天然气制氢反应装置固定床气化炉流化床气化炉气流床气化炉Lugi固定床干态排渣气化炉Winkler CFB gasifierC + O2= CO2CO2+ C = 2COC + H2O = CO + H2煤气化制氢煤气化制氢1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.22H2O2e H2 2OH2OH 1 O2 H2O2e阴极阳极1.2 电解水制氢 目前电解法仅占氢气总产量4%：纯度高、能耗高、成本较高。 电解效率7585%
5、，电耗：4.5kWh/m3-H2，电费占成本80%。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。m3单位单位类型类型设备型号设备型号产氢量产氢量（Nm3/h）氢气纯度氢气纯度电流密度电流密度 电解效电解效 氢气出口压力氢气出口压力(A/cm2) 率率 （bar）综合耗电量综合耗电量网站网站加拿大Hydrogenics有限公司PEM水电解HySTAT-x-30系 300;1000;5列 00099.9980%0305.05.4KWh/N https:/ww
6、w.hydrogenics.coelectrolysis/HyLYZER-400-4040099.9980%030m/hydrogen-products-solutions/indus5.2KWh/Nm3 trial-hydrogen-generators-by-美国ProtonOnsite有限公司PEM水电解https:/ http:/www.wm- Power公司提供PEM电解水制氢的工业应用目前碱性水电解制氢再工业上的大规模应用较多，PEM电解水制氢的工业应用项目还比较少加拿大Hydrogenics公司2018年为挪威Haeolus风力制氢项目提供装机2.5MW的PEM水电解制氢设备20
7、19年将向德国交付产氢400kg/day的加氢站，加氢站电力来源当地垃圾焚烧产生的剩余电量。阴极端板阳极端板垫圈阴极扩散层 阳极扩散层膜负载催化剂阳极端盖/储水槽PEM电解槽浙江大学PEM电解水制氢实验装置氢气分析仪电化学工作站暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H、小分子有机酸2HCO2、2优点底物多元化底物转化率、产氢率提高2-3倍1.3 生物质制氢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6 2 3 6光 2 2 3 2（1） CH 12O 2HO2CHCOOH+2CO 4H总反应： H 1O 2 2 6C62 H 2（2）2CHCO
8、OH4HO 4CO 8H(3)6CO2 +6HO O=C OH12O6+6O2总反应：H2O=H2+0.5O2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SO2量90%，减排NOX量39%，减排PM2.5量30-40%，减排CO2量24%。19研究团队研究团队循环能源利用效率对比循环能源利用效率对比最
9、高最高最合理最合理Goldsteinetal.51%33%36%Kasaharaetal.57%34%Leeetal.47%48%ZJUSIcycle51.1ZJUopenloopcycle66.79%热化学硫碘开路循环将反应温度从热化学硫碘开路循环将反应温度从950降低至降低至500，实现，实现H2SO4和和H2联产系统效率达联产系统效率达66.79%；采用电厂供热的氢气成本为采用电厂供热的氢气成本为8.17元元/kg，可利用冗余水电和风电等进行，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），电解水制氢（传统，成熟，电耗高），发展下游新能源汽车产业。发展下游新能源汽车产业。1.
10、4 热化学循环分解水制氢热化学循环分解水制氢热化学硫碘循环水解制氢(1) I2+ SO2 + 2H2O H2SO4 + 2HI(2)(3)H2SO4 SO2 + H2O + 1/2O22HI I2 + H2浙大已建成50 L/h热化学循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现阶段基于H2化学能的大规模风光储能：化学能的大规模风光储能：碱性电解槽H2高压储存SOFC发电电网压缩电网 中长期风光电解水制氢储能研发方向：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
11、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干燥系统干燥系统氢气压缩系统氢气压缩系统调压（计量）装置调压（计量）装置加气系统加气系统高压区高压区中压区中压区低压区低压区储储气气系系统统气源气源氢燃料电池氢燃料电池汽车汽车加氢站主要设备：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加氢站工艺流程26美国能源部2020年储氢技术目标储氢储氢用氢用
12、氢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 Lgravimetric capacity: 5.5wt%volumetric capacity: 40g/Loperating temperature: -4060Cmax. delivery pressure: 12 bar制氢制氢27储氢技术：安全高效、高密度、低成本储氢技术：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高压储氢）1、高压容器储氢、高压容器储氢(3570MPa)， 储氢密度储氢密度1.05.7wt.%优点：优点：储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、储
13、氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装和排放速度快，技术成熟成本低充装和排放速度快，技术成熟成本低缺点：缺点：安全要求高，体积储氢密度较低安全要求高，体积储氢密度较低应用：应用：绝大多数氢能汽车、燃料电池电站、绝大多数氢能汽车、燃料电池电站、通讯基站应急备用电源、加氢站通讯基站应急备用电源、加氢站2、低温液氢储存（、低温液氢储存（-253），）， 储氢密度储氢密度5.7wt.%优点：优点：体积储氢密度高、液态氢纯度高体积储氢密度高、液态氢纯度高缺点：缺点：液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂应用：应用：航天试验液氢燃料，民用少航天试验液氢燃料，民用少3
14、、金属氢化物储氢，、金属氢化物储氢，储氢密度储氢密度1.04.5wt.%优点：优点：氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；缺点：缺点：重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求应用：应用：未来重要发展方向、燃料电池氢源系统未来重要发展方向、燃料电池氢源系统28储氢技术原理方式对比车载气态储氢罐液态储氢罐固态材料储氢体积密度低需要高压力压缩氢气能耗较高体积密度高(70g/L)压缩冷却液化能耗更高(约1/3所制得液氢的燃烧热值)金属镁储氢密度潜在能力高但综合性能距离目标值仍然很远29压缩氢气与储氢材料性能对比工况：常温、高压、
15、高纯氢气工况：常温、高压、高纯氢气特征：材料塑性降低、裂纹扩特征：材料塑性降低、裂纹扩展速度加快展速度加快2.2 高压储氢：常温高压氢脆是技术瓶颈31金属材料氢脆过程Oxide filmImpurity moleculeH moleculeH with GBH2 pressure：HydrogenH with vacancyH with dislocationH withPrecipitate/InclusionH with SFPlastic bluntingStresstriaxialityDiffusionDiffusionAdsorption322017年12月发布，2018年7月实施
16、工作压力：25/35/50/70MpaA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浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术研制成功高于研制成功高于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。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车载储氢和车载储氢和45MPa
17、站储氢技术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金属属材材料料与与高高压压氢氢环环境境相相容容性性：为为使使高高压压氢氢系系统统长长寿寿命命、安安全全、可可靠靠地地运行，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。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。、疲劳裂纹扩展速率等。国家国家
18、/国际标准制订国际标准制订:国家标准国家标准 氢系统安全基本要求氢系统安全基本要求（国家标准计划编号：（国家标准计划编号：20083230-T-469）国家标准国家标准 车载纤维全缠绕高压储氢气罐车载纤维全缠绕高压储氢气罐 （国家标准计划编号：（国家标准计划编号：20074743-Q-469）国际标准国际标准 站用高压氢气储罐站用高压氢气储罐（国际标准提案编号（国际标准提案编号: ISO/TC197 N 436) 与法国与法国液空公司（液空公司（Air Liquid）等国际名企一起，将我校自主研发的）等国际名企一起，将我校自主研发的“全多层多功能高全多层多功能高压氢气储罐压氢气储罐”纳入国际标
19、准。纳入国际标准。国际标准国际标准 轻型燃料电池车用低压储氢容器轻型燃料电池车用低压储氢容器36物理吸附储氢基于分子间作用力需要较低温度和较高压力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较理想的储氢反应温度：较理想的储氢反应温度：100C附近附近较理想的储氢反应压力：较理想的储氢反应压力：10 atm 左右左右2.3 固体材料储氢动力学，速度动力学，速度功率功率可逆性，可逆程度可逆性，可逆程度材料工作寿命材料工作寿命其他实际因素考虑：成本，安全其他实际因素考虑：成本，安全至今仍未有完美至今仍未有完美的储氢材料！的储氢材料！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
20、逆性38储氢材料的热力学性能The vant Hoff equation39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AB5 - LaNi5 (MmNi5-xMx)储氢量1.5wt%、动力学好、较贵AB2 - ZrCr2 (Ti1-xZrxCrMn)储氢量2.0wt%、动
21、力学好、昂贵、难活化AB FeTi储氢量1.8wt%、动力学好、易中毒、歧化A2B - Mg2Ni储氢量3.6wt%、动力学差Mg 储氢量7.6wt%、动力学很差 （约400oC、 30 atm)Ni-MHBatteries41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
22、 sizes Ideal materials: High SSA, pore size 1 nm Better measured with up to 210 MPa H2,using IUPAC “excess hydrogen materialcapacity”. Goal: higher capacity up to 10wt% at 2-3MPaH2 uptake capacities at 77K and BET surface areas ofvarious MOFs42近年发展的化学储氢材料 Hydrolytic Hydride Systems 氢化物水解体系氢化物水解体系 Na
23、BH4: Usually irreversible Reversible Hydride Systems 可逆储氢体系可逆储氢体系 Interstitial Metal hydridesAB5 (LaNi5),AB2 (A=Ti, Zr, Mg; B=V, Cr, Fe, Mn),AB3 Salt-like MgH2: high cap., low cost, env. friendly, good reversibility NaAlH4 Irreversible Hydride Systems 非可逆储氢体系非可逆储氢体系 LiAlH4, LiBH4, Mg(BH4)2 Amine-Bor
24、aneAdducts: NH3B3H7, 胺硼烷胺硼烷 Amides/Imides氨基化合物，酰亚胺等氨基化合物，酰亚胺等43三、氢燃料电池系统化学总反应式 ：2H2 +O2 =2H2O + 电 + 热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48PEM fuel cellAire-MembraneElectrodeAssemblyCathode Rea
25、ctionO2 + 4H+ + 4e- 2H2OGas DiffusionLayerGas DiffusionLayerH2BipolarplateBipolarplateLoadAnodeH+CathodeAnode Reaction2H2 4H+ + 4e-NISTPlatinumCatalystCarbonblack质子交换膜燃料电池的阴阳极反应49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
26、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；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；要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；材料：材料：Pt/C,Pt-Ru/C载体材料载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须最先进的技术是最先进的技术是3M的催化剂的催化剂“小麦小麦”种植技术种植技术催化剂最先进的是催化剂最先进的是“壳核壳核”结构结构52气体扩散层GDL (gas diffusion layer)作用：传质，导电，传热，支持催化
27、层，导水作用：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，要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高稳定性高不降解，强度高材料：石墨化碳纸或碳布材料：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，合金材料：石墨，合金54GM FCUS fuel cellBMW，5 GT丰田燃料电
28、池系统集成55HD6 ballardIntellagent energyFlow Cath新源动力燃料电池系统集成56燃料电池系统集成573.2 车用燃料电池系统工作原理358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）边缘部分顶部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内部体积氢气储存量冷却水热交换器冷却水热交换器关闭阀门关闭阀门萃取液体萃取液体充气部分充气部分充气线充气线气体萃取气体萃取超绝缘体超绝缘体液体深位探测液
29、体深位探测外部容器外部容器悬浮悬浮液体氢气液体氢气 -253摄氏度摄氏度安全阀门安全阀门气态氢气态氢电子加热电子加热换向阀（气态换向阀（气态/液态）液态）车用液态氢气储罐的性能特点内部容器内部容器64日本丰田Mirai燃料电池汽车3.3 燃料电池整车构造原理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。燃料电池汽车的氢氧反应产电动力系统68燃料电池客车构造工作原理车辆控制器电动机控制器电机机械传动装置燃料电池系统电子接口设备辅助电源功率控制
30、单元车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电动机驱动子系统峰值电源能源子系统温度控制单元辅助子系统69燃料电池客车的系统构型上海神力燃料电池130kW双向DCDC放电：50kW充电：20kW镍氢或锂离子电池80100Ah200250V驱动电机额定100kW最大180kW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照片1时间: 0分0秒氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边照片2时间: 0分3 秒两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量
31、680CC/min燃料电池车与传统汽油车失火对比77照片 3 时间: 1分0 秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大燃料电池车与传统汽油车失火对比照片4 时间: 1分30秒78照片 5 时间: 2 分20秒 内部爆燃燃料电池车与传统汽油车失火对比照片 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抗冲击测试后进行评估燃料电池汽车抗冲击和耐高温测试高压氢气罐耐高温测试81氢能源氢能源(制氢、制氢、储运）储运）加氢站加氢站电堆电堆燃料电池系统燃料电池系统系统辅件系统辅件氢燃料电池产业链构成双极板双极板密封圈密封圈气体扩散层气体扩散层应用应用空压机空
32、压机增湿器增湿器氢循环系统氢循环系统DC/DC碳布碳布/碳网碳网催化剂催化剂质子交换膜质子交换膜客车客车轿车轿车叉车叉车机车机车四、燃料电池汽车产业发展膜电极膜电极端板端板固定式电源固定式电源便携式电源便携式电源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北京艺华通新源动力上海重塑北京蓝吉上海攀业大连光阳机电上燃动力苏州弗尔赛江苏索尔北京氢能北京碧空武汉众宇南通泽禾功率（KW ）30、604530、6016、30、450.03 、531065103010、301751.2、2、4、6、10、10050、175运行/储存温度（）-2045/-3045-2
33、045/-2045-2045/-3045-540-1042/042-1042-1042-1045/-4060-2040-1045-2040应用商用车、乘用车商用车、乘用车商用车、乘用车商用车、乘用车无人机、通信基站商用车商用车观光车、叉车、备用电源商用车商用车发电系统、备用电源无人机、备用电源发电系统、备用电源浙江南都5050/-1050通信基站842018-2019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89能源能源结构结构装备装备制造制造终端终端应用应用氢能作为动力燃料取代石油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、煤氢能作为分布式供能燃料取代或部分取代天然气、煤带动制氢、存储、运输等环节及相关装备制造业发展带动制氢、存储、运输等环节及相关装备制造业发展带来汽车、船舶、军工等动力系统革命及分布式供能、带来汽车、船舶、军工等动力系统革命及分布式供能、应急电源等变革。应急电源等变革。90
