吴朝玲-氢能与燃料电池应用现状及发展趋势.pdf

吴朝玲 教授/ 博导 材 料 科 学 与 工 程 学 院 四 川 大 学 新 能 源 与 低 碳 技 术 研 究 院 后 续 能 源 材 料 与 器 件 教 育 部 工 程 研 究 中 心2 月28 日 碳中和科普大会 3 月1 日 碳资产管理论坛 3 月2 日 ESG 和绿色金融论坛 3 月3 日 清洁能源 储能论坛 本文稿 知识产权属于作者及其工作单 位 ，在 作者授 权下仅 供“2022 零碳创新 周”会 议观众 学习交 流 之用，请勿商用。 2022 零碳创新周是全球零碳联盟和ESCOM EVENTS 主办。 扫码关注 全球零碳联盟四 川 大 学 “氢 能源材 料与系 统集成 ”工科特色 团队 第2页 特聘研究员 低碳院 二级教授 低碳院 教授 电气工程学院 助理研究员 低碳院 教授 材料学院 副教授 化工学院提纲 氢 能战 略 与政 策 制氢 储 运 氢 燃 料 电 池 自 由讨 论 第3页我国2030 年碳达峰目 标 第4页 国务院明确2030年碳达峰目标 非化石能源消费比重达到 25 左右 单位国内生产总值二氧化碳 排放比2005年下降65 以上 2021 年10 月24 日发布的 2030年前碳达峰行动方案可再 生能源 波动性 第5页 发电不稳定 发电与用电不匹配 电网消纳能力有限 Hydrogenious LOHC Technologies - Handling hydrogen made easy 中国弃光弃风现象 严重 可再生能源资源分 布不均衡储能 第6页氢能 与氢经 济 第7页 SUN ENERGY ENERGY 用氢 39 kWh/kg 2 H 2 O → 2 H 2 O 2 储氢 M H 2 → MH 72 - 90 85 50 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O 制氢 可 再 生 能 源制氢氢能 社会 第8页 一 个以氢能和电能为主、结合多种能源 组成的清洁能源社会 https//global.toyota/en/sustainability/esg/challenge2050/challenge2/lca-and-eco-actions/氢的 特点 第9页 清洁、零排放 H 2 O 2 → H 2 O 气态、密度最小 密度0.09 kg/m 3 （汽油800 kg/m 3 氢 1 H 清 clean 轻 light 宇宙最丰富元素 氢占宇宙总质量的3/4 储运困难 来源丰富 燃值143 MJ/kg （汽油44 MJ/kg ） 燃烧值最高 燃烧极限宽 能量转换效率高 燃料电池50 60 （内燃机35 ） 4.075.6（体积浓度） （天然气5 15 ） 高 效率 高 能量 一定 危险性 氢氧焰 3000 ℃ PEMFC Hydrogen Fusion Alliance Bureau 2030 Horizon2020 220 2 FCHEA 2050 14 PaCOS 4 750 SOFC 16 11 - 1011 - 2020 2020 2020 2022 2020-2022 2019 2020 2020-2022 2020-2035 2019-2030 2020 氢能 产业发 展历程 第12页 ◼ 2016 67 2016 2020 2019 ◼ 2035 ◼ ◼ 燃 料 电 池汽车达 100 万辆 行 业 规 模达 5 万亿RMB 清洁、零 排放 能量转 换 效率 高 50 60 （ 内燃机35 ） 来源丰富 中国氢能产业发展报告2020 2025 ◼ 燃 料 电 池汽车达 10 万辆 行 业 规 模达 1 万亿RMB 100 万辆燃 料 电池汽车 可减少CO 2 5.1 亿吨/ 年。我国 氢能战 略 第13页 2019年氢能在2030 年前碳达 峰的重 要作用 第14页 根据10 月24 日 国 务 院 发 布 的2030 年 前 碳 达 峰 行 动 方 案 加快氢能技术研发和示范应用， 探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。 经贸 石化 交通 钢铁 人才 培养 基础 设施 标准 建设 示范 应用 开展氢冶 金 拓展富 氢 原料 进口来 源 氢能汽车 等新 能源车 加氢站等 基础 设施建设 氢能等学 科建 设和人才 培养 建立健全 氢 的 制、储、 输、 用标准 低成本 可 再生 能源制氢 、加 快氢能技 术研 发和示范 应用 推动氢能 等领域科 研合作和 技术交流氢能 产业链 第15页 制氢 存储 运输 燃 料电池 应用 AC/DC 中游储存运输 上游制氢 下游燃料电池及应用 氢产业链长、覆盖面广，涉及环节和细分领域众多提纲 氢 能战 略 与政 策 制氢 储 运 氢 燃 料 电 池 自 由讨 论 第16页几种 典型的制 氢方法 第17页 1 化石燃料制氢 2 生物质制氢 3 电解水制氢 4 热化学制氢 5 光化学制氢 6 光生物制氢氢源 分类 第18页 清 洁 、 低 成 本 的 制 氢 技 术 （ 目 标 20 30 元/公斤氢） 工信部原部长李毅中灰氢不可取，蓝氢可以用，废氢可回收，绿氢是方向 灰氢 化 石能源 （煤 、石油 、天 然气）制氢 生产1 公 斤 的氢 ，要伴 生5.5 公 斤到11 公斤的 二氧 化碳 废氢 工 业副产 氢气 的回收 提纯 利用， 包 括焦炉 气和 氯碱厂 尾气 成 本 低 ， 回 收成本 约1 元/ 方氢 蓝氢 化 石能源 制氢 ，辅以 碳捕 捉和封 存 是 一种中 间过 渡阶段 的技 术 绿氢 电 解水制 氢 首 先必须 利用 清洁电 源， 特别是 弃光 、弃风 、 弃 水电 其 次要解决耗 电高的问题3 电解水制氢 第19页 成熟的电解制氢技术 碱性电解槽 固体聚合物电解槽（SPE ） 开发中的电解制氢技术 SOEC 分三类 阴极反应4e 4 H 2 O 2H 2 4OH - 阳极反应 4OH - O 2 2H 2 O 4e3.1 碱性电解水制氢技术 第20页 碱性电解 水制氢是一项成熟且应用广泛的技术 电极 隔膜 电解液 电解槽组成 雷尼镍 聚砜 替代 石棉 20 – 40 氢氧化钾溶液3.2 固体聚合物电解槽 第21页 碱性溶液/酸性溶液 固态电解质 可使用的电解质材料是离子交换膜 SPE, 1967, GE美国通用电气公司 被替代 优点 效率高、能耗低、电解质稳定、安全可 靠以及装置体积小、重量轻、寿命长 氢气 氧气 离 子 交 换 膜 2 2 2 4 4 HO e O H − → 2 4 2 4 e H H − → 氢气 气泡 氧气 气泡 缺点 价格昂贵、催化剂易毒化第22页 2022冬 奥 会 使 用 的1000 标方/小时 电解槽（718， 左 ） 和 整 流 室 （ 英 特 利 ， 右 ） 国内电 解槽供 应商 中船718 ，考克 利尔， 大陆， 中电， 隆基 国内电 解槽整 流器 供应商 湖北 英特 利 专业电源市 场 占 有率70 3.2 固体聚合物电解槽3.3 固 体 氧 化 物 电解 池SOEC O2 O2 O2 O 2- H 2 O 2- H 2 O H 2 O H 2 O H 2 H 2 e - e - e - e - e - e - e - e - electricity H 2 H 2 O O 2 H 2 O 2e - H 2 O 2- cathode anode 如果向电池的燃料极提供 水，并向电池提供电能， SOC就可以实现SOFC 的逆 过程，即将水电解成氢气 和氧气。此时的SOC 称为 固体氧化物电解池solid oxide electrolysis cell, SOEC.三种 电解水 制氢技 术的简 要对比 第24页 SPE SOEC 制 氢 系 统 类 型 温度（ ℃ ） 电解效率（ ） 碱性 80 51 62 SPE 80 74 79 SOEC 850 90 100电解 水制氢 （以四 川为例 ） 背景2019 年四川 水电装 机总容 量7720 万千瓦 ，2019 年四川 弃水电 量92 亿度电 第25页 http//power.in-en.com/html/power-2309608.shtml 如 果 弃水电 全部用 来制氢 ，按照 的现有 工业水 平5 度电 制1 方氢， 共可制 取 1.67 亿公斤氢。 92亿度电  5 度电/方氢 18.4 亿方氢 1.67 亿公斤氢 汽 车 平均每 年里程1.2 万公里 ，燃料 电池汽 车100 公里 耗氢1 公斤 ，每辆 车每年 消耗120 公斤氢 。四川 每年弃 水电可 满足139万辆燃料 电池汽 车运行1 年。 1.67 亿公斤氢  120 公斤氢/辆 0.0139亿 139 万辆车 根 据 预测， 我国2030 年将有100 万辆 燃料电 池汽车 。四川 大学制 氢技术 第26页 大功率电解水制氢技术及工程应用 ⚫ 依据具有自主知识产权的催化剂技术 ， 自主研发了从1kW 至百MW 级的 电 解 制 氢 关 键装备 ， 打 造了适 应全球 各地标 准的供 电- 制氢方 案 。 ⚫ 与 湖 北 英 特 利 电 气 有 限 公 司 合 作 ， 设 计 出 单套10kW-55MW 的 功 率 电 气 系 统 ， 可实 现单套10000m 3 /h 的制氢能力 ， 目前公开报道的最大产能单槽系统 ， 技术已在台积电 等 企 业得到应用； 光伏直接制氢 技术5MW 系统已 在宁夏 宝丰开 展示范 应用 。 ⚫ 为海内 外典型 制氢项 目提供 了核心 技术支 撑 ； 形成了 具 有核心 竞争力 的技术 创新和 产业化 团 队 ， 使我国电 解制 氢的供电 装备 跻 身 国 际 先进水 平 。 贺 明 智 ，教授/ 博导 四川大学电气工程学院 国务院政府特殊津贴专家 百千万工程北京市人选 北京科技新星 四川省“ 千人计划” 专家提纲 氢 能战 略 与政 策 制氢 储 运 氢 燃 料 电 池 应用 自 由讨 论 第27页氢储 运商业化模式 第28页 压缩氢气 槽车 用户 液氢 槽车 压缩氢气 管道输氢 制氢 液氢船几种 典型储 氢方式 第29页 低压，体积小 安全性高 技术成熟 充装较快 压力低，充装快 重量储氢密度高 重量储氢密度低 （较重） 安全性较低 成本高 安全性较低 成本很高 优点 缺点 特点 原子 常温， 10 MPa 分子 常温，35 – 70 MPa 分子 -253℃ ，1 bar制氢 存储 运输 燃 料 电池 应用 行业 共性问 题 第30页 氢能行业共性问题氢的安全高效储运 氢气密度低0.09 kg/m 3 （汽油800 kg/m 3 槽车 氢燃料电池车辆 高压加氢站 以35-70MPa 高压储氢 技术为 基础的 商业模 式 ⚫ 压缩机 依赖 进口、性 能有 待 提升，关 键元 器件国产 化率 低 ⚫ 高压储氢瓶 关键原材 料碳 纤维依赖 进口 ⚫ 建设成本 高， 安全性不 足氢能 产业 发 展的瓶 颈和痛 点 第31页 从 产 业 角 度 来 看 ， 加 氢 站 基 础 设 施 建 设 是 氢 能 产 业 发 展 的 最 大 痛 点 北美75 座 欧洲200座 亚洲275座， 日本142 中国73 韩国60 2020 年底全球553座 中国加氢站布局 https//newenergy.in-en.com/html/newenergy-2401289.shtml加氢 站建设 瓶颈一 成本 第32页 建设内容/ 投资额（万元） 35MPa 35MPa/70MPa 主要设备 1500 3200 土建安装 500 650 合计 2000 3850 日销售m 3 原 料 成 本 压 缩 成 本 人 工 成 本 折旧 其他 税费 总 成 本 1000 2.68 0.22 0.40 13.71 0.15 0.37 17.54 3000 2.68 0.21 0.35 4.57 0.14 0.37 8.32 6000 2.68 0.20 0.30 2.29 0.13 0.38 5.97 8000 2.68 0.19 0.25 1.71 0.12 0.38 5.33 10000 2.68 0.18 0.20 1.37 0.11 0.38 4.92加氢 站建设 瓶颈二 安全 性 第33页 2019 6 10 2019 6 23 , 2 2020 60 2019 6 1 2019-2020年高压氢气爆炸事故液氢 第34页 （国内 液氢 主要用于 国防 等特殊用 途） 218,000 L 大型液氢储罐（15 吨氢） 美国NASA Stennis Space Center固态 储氢 第35页 Z. Chen, Z. Ma, J. Zheng, X. Li, E. Akiba, H.-W. Li, Chinese Journal of Chemical Engineering 2021, 29, 1. Solid hydrogen ≤ 5 MPa 有 研 低压固 态合金AB 2 储 氢装置 储 氢 压力5MPa 系 统 体积储 氢密度 22.2 kgH 2 /m 3 系统体积储氢密度7.3 kgH 2 /m 3 35MPa H 2固态 储氢 交通运输 第36页 加氢站热管理系统 20MPa管束车 泄气柱 加氢机 公交车 5 MPa固态 储氢 跨季储能 第37页 屋 顶 太 阳 能 发电- 电 解水 制氢- 金 属 固态储 氢 中 长期氢 储存 电解水产氢率40Nm 3 /h 19个 固 态 储 氢单元 ，38 个 固态储 氢罐 储量100kg氢气 JSW Technical Review 2018 No.201-14 太阳能发电- 电解 水制氢- 金 属固态 储氢 跨季储氢 （ 夏- 冬 ） ，9 个固 态储氢 罐 100kg氢 气 储量 系统尺寸3.1 1.8  2.0m 同 样 储 氢 量 压缩储 氢系统 需6 套6m 长管固态 储氢 小型移动 工具 第38页 APFCT 3000 80km 1MPa 1000NL 2 , 7-Eleven 30 FC V-Ti-Cr-Fe 四元合金（四 川大学 ） 第39页 FeV80 我国钒资源总量占世界的45 四川钒资源总量占全国的63 我国钛资源总量占世界的38 四川钛资源总量占全国的94 Ti RT, 5 MPa 3.9 wt 无 需 活 化 快速吸氢 0 ℃吸氢 60℃放氢 2.5wt 在合金类储氢材料中， 综合性能优，性价比高成果 转化 第40页 合作单位 上市公司，厚普清洁 能源股份有限公司提纲 氢 能战 略 与政 策 制氢 储 运 氢 燃 料 电 池 自 由讨 论 第41页交通 工具的 变化 燃油车 → 燃料 电池汽 车 第42页 品牌 上市 /kg 续航/km 销售与租赁 Tucson ix35 2013 5.64 594 499/ 月 丰田 Mirai 2015 5.0 502 58500 40 2021.1 12467 26.4 本田 Clarity 2016 5.46 589 369/ 第43页 2H 2 O 2 2H 2 O 2H 2 - 4e - 4H O 2 4e - 4H 2H 2 O 燃料 电池的 分类 第44页 AFC PEMFC [ DMFC ] PAFC MCFC SOFC AFC PAFC PEMFC MCFC SOFC DMFC MFC 第45页燃料 电池的 应用 便 携式设 备 第46页燃料 电池的 应用 交 通领域 第47页 Mirai 2014 Mirai 2020 GLC F-CELL 2017 FCV Clarity 2016 NEXO 2018燃料 电池的 应用 家 庭热电 联产 第48页燃料 电池的 应用 家 庭热电 联产 第49页燃料 电池的 应用 固 定式储 能 第50页 营创三征营口 精细化工 氯碱工业副产氢 2MW PEMFC 发电站 韩国斗山集团年发电量50MW 石化副产氢燃料电 池发电站， 设置440千瓦时磷酸燃料电池PAFC燃料 电池的 应用 军 事领域 第51页丰田Mirai 燃料电 池汽车 第52页 加一次氢5.6 kg，跑1350 km 吉 尼 斯 世 界 纪 录 https//www.motor1.com/news/539674/toyota-mirai-world-record-range/ 燃 油 车 19款2.0L 凯美瑞，口碑 油耗 7.5L ， 油箱60L 容积，续 航800km 。 电动车Tesla model Y ，容量77 kWh ， 标 称 续航523 km丰田Mirai 燃料电 池汽车 第53页 第一代 第二代 电 堆 功 率/kW 114 128 功 率 密 度/kW/L 3.1 5.4 电 堆 重 量/kg 97 FC NiMH 75 FC LIB 续航/ km 650 850 （最高1350 ） 里程 km/kgH 2 130 150 （最高240 ） 储氢系统 70 MPa 122 L, 5 kg H 2 70MPa 141 L, 5.6 kg H 2 FC 小型化 低成本化 FC 高效率 平均58 最高65 Mirai 第 二代 电 堆一门 慕课， 一套专 著 第54页 中国大学MOOC 网 https//www.icourse163.org/ course/SCU-1207120810欢迎交流与合作 第55页