甲醇氢能燃料电池系统 ——中国氢能的好路子
发布时间:2020-12-02     作者:    浏览量:19282    分享到:

背景:

1、国家鼓励发展甲醇汽车 ——2019年3月,工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技 术部、公安部、生态环境部、交通运输部、国家卫生健 康委员会和国家市场监督管理总局联合印发《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,提出将加快完善甲醇汽车产业政策、技术标准,推动产业合理布局, 加快甲醇汽车制造体系建设并提高市场应用水平。 文件明确提出:“鼓励和支持企业研发甲醇混合动力汽 车、甲醇增程式电动汽车、甲醇燃料电池汽车产品。加快甲醇汽车科研成果转化及产业化应用。

2.2019年,氢能源被首次写入《政府工作报告》,氢能因此成为我国国家能源发展战略中的重要一环。2020年9月21日财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委、国家能源局正式联合发布“关于开展燃料电池汽车示范应用的通知”明确规定加氢站氢气零售价不高于35元/kg,而且每公斤氢气的二氧化碳排放量小于15kg。

3.2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话指出“应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动,各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和 ”。 

 

中国氢能发展需突破高压氢气加氢站发展困境: 

瓶颈一:无法解答人民群众心里的疑惑 ★★★

——氢气易燃易爆;加氢站高压储存、高压加注;氢燃料电池汽车高压气瓶储气;这些真的安全吗?真的适用吗?

瓶颈二:建设成本过高 ★★★★

——加氢站建设成本是全球氢能产业面临的相同困境。不计土地费用,一座加氢站建设成本通常在2500万以上,其中,设备成 本约占百分之八十。

瓶颈三:技术标准不明确 ★★★★

——中国是建设70MPa还是35Mpa的加氢站,目前国内加氢站绝大部分均为 35MPa 高压供氢加氢站。但是国外均建设的是 70MPa加氢站。若采用碳纤维缠绕瓶储氢罐的燃料电池轿车, 想达到500km以上的续驶里程受空间限制只能采用70MPa氢 系统。

瓶颈四:技术储备不足 ★★★★

——日本拥有高性能碳纤维技术和70MPa压力等级瓶口阀、 减压器等关键零部件技术,其产业联盟形成了全产业链配套。如果中国目前大力发展70MPa,原材料和关键零部件将严重依赖进口。此外,我国在加氢站建设过程中的加氢机、氢气 压缩机、传感器、减压器、瓶口阀等核心产品的均没有技术储备,全部需要进口。

 瓶颈五:盈利遥遥无期。★★★★★

——在累计现金转正之前,加氢站需要10-15年才能收回成本, 而且要经历“死亡之谷”,没有足够的现金储备,极容易被拉垮。

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中国燃料电池汽车用氢市场存在多个痛点:

痛点一:昂贵的高压氢气的价格 ★★★★★

氢能源发展,市场目前不仅由于受限于加氢站基础设施建设 ,而且最为关键的还是受限于昂贵的高压氢气价格。高压燃料电池用的氢气,氢气成本占用氢成本70%以上,氢气的运输成本占总氢气成本的60%以上。

 痛点二:受制于人的高压储氢零部件★★★★★

 ——燃料电池系统零部件正在国产化,技术壁垒为阶梯式,性能差也能将就使用,3年内大部分零配件即可国产化;高压储氢系统包括70MPa储氢瓶,高压加氢枪、高压减压阀、高压传感器等核心部件全部进口,技术壁垒呈悬崖式,并非是将就即可应用,国内10年之内无法国产化;

痛点三:极难分离的高纯度氢气★★★★★

 ——中国美其名曰副产氢存量大,可是真正能够满足加氢站标准、供燃料电池汽车使用的氢气少之又少,主要是因为这些副产氢成分复杂,分离提纯难度大,耗能高,高纯氢提纯技术不成熟等。而燃料电池汽车使用的氢气对纯度又有极高的要求,因此造成了加氢站无氢可用,只能寻找电解水、天然气重整、甲醇重整等方式制氢提供氢气。

 

甲醇氢能燃料电池技术应用优势

1、甲醇燃料电池汽车“油耗”低

 ——甲醇燃料电池汽车8kg甲醇可以制得1kgH2,普通乘用车可以行驶100km。计算结果:甲醇燃料电池汽车费用每公里0.2元,和纯电动汽车持平(电价:1元/kwh);高压氢燃料电池汽车每公里费用0.7元(H2以70元/kg计),高于汽油的0.5元。

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2、甲醇燃料电池汽车最节能环保

——就目前我国能源结构看(2017 年电源结构),纯电动汽车CO2排放强度为175 gCO2/km,低于汽油内燃机汽车;若直接将电网电力制氢用于燃料电池汽车,其全生命周期 排放强度高达466 gCO2/km;若采用车载重整制氢方式,其 CO2排 放 仅 为160 gCO2/km,是各类技术路线中最低水平。

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3、甲醇制氢的优势

——基于甲醇制氢技术的特点,可车载制氢,也可加氢站内制氢,现制现用,无需H2的大量运输和储存,也可在化工园 区集中制氢,再通过短距离运输(<100km)至加氢站,多种方式都具有切实的可行性。

4、储氢能量密度优势

——甲醇自身的质量储氢密度为12.5%,甲醇水蒸气重整制氢技术,即以CH3OH和H2O作为原料,在催化剂的作用下转化为H2 和CO2。该过程不仅将CH3OH中的氢全部转化为H2,同时将 H2O中的氢也转化为H2,按此技术路线,甲醇储氢质量分数达到 18.75%。然而,目前全球最好的储氢罐70MPa炭纤维储氢罐的储氢质量分数仅为5.3%。

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5、甲醇原材料优势

——中国甲醇产销量全球第一,2018年中国甲醇有效产能8302吨/年,另外,随着CO2合成甲醇技术的突破, 甲醇制氢进一步发展成为绿氢储存载体,利用太阳能、风能等可再生能源制氢,CO2+H2制甲醇,中和CO2排放,实现“碳中和”伟大目标。

此外,甲醇是液体,储运方便,运输和储存技术的技术非常成熟,可利用现有的石油加注体系。


甲醇氢能燃料电池系统创新技术

1.高空速制氢催化剂

——催化甲醇转化率高于99%,体处理空速是现有的催化剂的3倍以上,通过采用高空速制氢催化剂甲醇水蒸气重整制氢,实现移动高效制氢。

2.微反应器制氢系统

——微化学反应技术,转化效率高,热传导性能好,制造的制氢系统反应器是传统反应器体积的1/5倍以内,同时能量转换效率提高20%以上。

3.多维高效能源管理体系

——热量自主回收利用,热电联供一体集成,燃料电池放热、燃料电池冷却、甲醇反应吸热、液体流体、气体流体、热量能量、电力能耗多维度管理,放热吸热平衡,实现高效的“热电联供”能源管理上。 

4.高度一体化集成

——实现制氢与发电一体化智能控制,甲醇制氢和燃料电池一体化集成,用氢不见氢,实现燃料电池安全发电;

 

甲醇制氢燃料电池核心技术

1.甲醇水蒸气重整制氢催化剂的制备技术;

2.氢气纯化金属膜提纯技术;

3.甲醇制氢反应器设计技术;

4.燃料电池核心部件技术。

5.池系统集成设计(软件开发)技术


甲醇氢能燃料电池应用市场

甲醇重整燃料电池系统,一种全新的发电技术,以甲醇为原料,通过电化学的方式实现发电,能量转换效率高。产品可作为发电机,为电信基站、数据中心、别墅小区等地方提供电力,也可作为电池,为电动汽车、电动轮船、电动飞机等提供动力。

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甲醇氢能燃料电池技术产业化意义

1.建立新的良好的经济效益。通过发展新兴氢能产业,培育新的地方经济增长点,氢能源设备生产制造、氢能源产业服务、氢能科技研发、成果转让、产业孵化和人才培养等增加就业和带动周边产业发展。

2.开展新的能源道路。以当地丰富的资源作为基础,煤制甲醇、太阳能制甲醇、生物质制甲醇等推广新型氢能应用路线,建立当地特色的新型氢能源汽发展路线。将甲醇氢能燃料电池应用于汽车,取代汽油、柴油发动机等减少污染;将甲醇氢能燃料电池作为发电机,电信基站、数据中心、社区小区等地方提供电力。

3.响应国家政策。十三五规划中明确提出,新能源汽车是中国七大新兴战略发展产业之一。中国政府想利用新能源汽车的发展契机, 弯道超车,实现中国汽车业大国到强国的转变。本项目的研发是真正符合国家政策发展,符合环保发展 趋势。符合产品市场化用户需求,是解决现在新能源汽车存 在的瓶颈问题。它符合2016年3月国家发改委发布的《能源 技术革命创新行动计划(2016-2030年)》的要求;它符合 工信部发改委等部门联合发布的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》;它适合于2020年9月21日财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委、国家能源局正式联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》;

4.解决氢能源产业氢气成本高的问题。甲醇氢能燃料电池可以实现移动制氢,移动制氢技术真正解决氢能利用瓶颈的技术问题。一直以来氢能被公认为二十一世纪的清洁能源,但是氢能的利用因为其本身的物化性,压、储、运、卸的成本及安 全问题制约氢能的利用,氢能经济难于推广应用,发挥它真正作用。利用甲醇水制氢并联合燃料电池发电,开展了氢能经济的新论点,形成了更广泛可行、科学环保的甲醇经济观点。

 5.解决国家能源安全问题。甲醇可以多渠道制得,可以从煤、植物、市政垃圾等材料制得,也可以可由太阳能、风能等可再生能源制氢加二氧化碳制成。中国原油对外依赖度超过70%,甲醇作为能源可以摆脱过分的依赖石油化工的困境,确保国家能源安全,实现能源自主发展。

6.甲醇氢能源是最符合符合中国国情的氢能路线。中国能源结构中,煤炭占比为60%,同时中国太阳能装机量全球最多,中国实行煤+太阳能制氢,绿氢+CO2制甲醇,甲醇现场制氢 +燃料电池发电,实现中国“煤”清洁利用的同时,充分利用可再生能源,达到CO2减排效果,最终完成“碳中和”目标。

来源:氢朝能源

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