氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)國內(nèi)外進(jìn)展1我國氫能系統(tǒng)規(guī)劃路線2我國氫能關(guān)鍵零部件規(guī)劃路線3我國氫能動力系統(tǒng)及成本規(guī)劃路線4我國氫燃料電池整車規(guī)劃路線5一.

制氫技術(shù)制氫方法制氫原料?天然氣重整Steamreforming?天然氣部分氧化Partialoxidization化石燃料Fossilfuels?天然氣熱解?煤氣化ThermalcrackingCoalgasification?電解水WaterelectrolysisThermolysis水Water?熱解水?熱化學(xué)循環(huán)?光催化分解ThermalchemicalcyclesPhotolysis生物質(zhì)Biomass?微生物發(fā)酵?生物質(zhì)氣化?H2S熱解BacteriafermentationBiomassGasificationH2S

pyrolysis其他Others?化工尾氣H2

fromChemicalIndustry?焦化行業(yè)尾氣

H2

fromcokeindustry當(dāng)前各種主流制氫技術(shù)制氫方法優(yōu)點缺點化石燃料重整、氣化制氫原料屬不可再生能源

，儲量有限，有技術(shù)成熟，可滿足近期所需CO2、污染物排放技術(shù)比較成熟，工藝簡單，無污染，可制備高純度氫電解水制氫生物質(zhì)制氫光解水制氫電耗巨大，能量利用效率只有20-30%反應(yīng)溫和能耗低，資源廣儲量大無污染，有工業(yè)應(yīng)用潛力產(chǎn)氫速率較慢，生物氫氣需脫碳提純光能轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氫速率低，離實用距離尚遠(yuǎn)需要2500℃～3000℃高溫，近期可行高溫?zé)峤馑茪湓砗唵?，理論技術(shù)成熟性較小熱化學(xué)硫碘循環(huán)水分解制氫反應(yīng)溫和，可匹配核能、太陽能作為熱源等，熱效率較高HI分解速率低，流程復(fù)雜，需研制耐腐蝕高溫材料和設(shè)備1.1

化石燃料制氫

目前全球H2產(chǎn)量在5千萬噸/年左右，且年增長率6%～7%。全球商業(yè)用H2大約96%由煤、石油和天然氣等化石燃料制取。我國生產(chǎn)的H2有80%以上用于煤氣化合成氨工業(yè)。世界產(chǎn)氫原料對比天然氣制氫反應(yīng)裝置煤氣化制氫固定床氣化爐流化床氣化爐氣流床氣化爐C+O2

=CO2CO2

+C=2COC+H2O

=CO

+H2Lugi固定床干態(tài)排渣氣化爐Winkler

CFBgasifier1.2電解水制氫1堿式電解槽組成：電源、電解槽、電解液、陰極、陽極和橫膈膜；2電解液為濃度20~30%(w/w)

KOH；3隔膜由石棉組成分離氣體；4電極由金屬合金組成:

Raney

Ni、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe等.2H

O

2e

H

2OH陰極陽極

目前電解法僅占?xì)錃饪偖a(chǎn)量4%：22純度高、能耗高、成本較高。2OH

O

H

O

2e1222

電解效率75~85%，電耗：~4.5kWh/m3-H2，電費(fèi)占成本80%。工業(yè)電解水制氫裝置目前廣泛使用70-80℃堿性電解水制氫裝置，正在研制120-150℃堿性電解水制氫裝置。裝置組成：水電解槽、氣液分離器、氣體洗滌器、電解液循環(huán)泵、壓力調(diào)整器、儀表電源設(shè)備等國內(nèi)外PEM電解水制氫設(shè)備性能對比產(chǎn)氫量（Nm3/h）電流密度

電解效

氫氣出口壓力單位類型設(shè)備型號氫氣純度綜合耗電量網(wǎng)站(A/cm2)

率（bar）HySTAT-x-30系<300;<1000;<55.0~5.4KWh/Nm399.9980%0~30/hydrogen-products-列000加拿大Hydrogenics有

PEM水電解限公司solutions/industrial-hydrogen-generators-by-electrolysis/HyLYZER-400-40<40099.9980%99.9995%0~30305.2KWh/Nm3StableFlow?200https://www.pr/products-美國ProtonPEM水電解Onsite有限公司S系列C系列H系列0.53；1.05

99.9995%10；20；30

99.9998%13.830proton-site/2；4；699.9995%15；30中船重工718研究所PEM電解制氫設(shè)備http://www.p/PEM水電解PEM水電解0.01~50185%M系列-CPH-500~501~1099.9900%99.9900%0~350~354.8KWh/Nm35.0KWh/Nm3H系列-CPH-1-10淳華氫能科技股份有限公司http://www./S系列-CPH-0.3-0.60.3~0.6<699.9900%99.9999%0~355.0KWh/Nm3山東賽克賽斯氫能源有限公

PEM水電解司QLS-H6加拿大Hydrogenics公司PEM電解水制氫設(shè)備HySTAT?基礎(chǔ)款系列最大工作壓力：10-25bar最大產(chǎn)氫速率：根據(jù)不同型號（10、15Nm3/h）產(chǎn)氫純度：99.999%產(chǎn)氫能耗：4.9

kWh/Nm3

atfull

loadHySTAT?集裝箱系列集成了HySTAT?制氫設(shè)備，冷卻系統(tǒng)、給水凈化系統(tǒng)、氫氣凈化系統(tǒng)等外圍設(shè)備。最大工作壓力：10bar最大產(chǎn)氫速率：根據(jù)電堆數(shù)量（10-60Nm3/h）產(chǎn)氫純度：99.998~99.999%產(chǎn)氫能耗：5.4

kWh/Nm3

atfull

load根據(jù)客戶需求可以產(chǎn)生150bar，>500Nm3/hPEM電解水制氫的工業(yè)應(yīng)用目前堿性水電解制氫再工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用較多，PEM電解水制氫的工業(yè)應(yīng)用項目還比較少加拿大Hydrogenics公司2018年為挪威Haeolus風(fēng)力制氫項目提供裝機(jī)2.5MW的PEM水電解制氫設(shè)備2019年將向德國交付產(chǎn)氫400kg/day的加氫站，加氫站電力來源當(dāng)?shù)乩贌a(chǎn)生的剩余電量。2017歐洲第一臺潮汐能發(fā)電制氫裝置產(chǎn)氫能力：220kg/day電解槽ITMPower公司提供浙江大學(xué)PEM電解水制氫實驗裝置氫氣分析儀陰極端板陽極端板墊圈電化學(xué)工作站PEM電解槽陰極擴(kuò)散層陽極擴(kuò)散層陽極端蓋/儲水槽膜負(fù)載催化劑1.3生物質(zhì)制氫暗發(fā)酵光發(fā)酵原料糖、淀粉、纖維素小分子有機(jī)酸終端產(chǎn)物H2、小分子有機(jī)酸底物多元化H

CO2、

2底物轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氫率優(yōu)點提高2-3倍2010年全國大學(xué)生節(jié)能減排競賽一等獎生物質(zhì)暗光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫和CO2綜合利用系統(tǒng)②③

④（1

）CH

O

2H

O2CH

COOH+2CO

4H26126232光（2）2CH

COOH4H

O4CO2

8H232⑤總(3)6CO

+6H

O=C

H

O

+6226

12

6O2總反應(yīng)：H

O=H

+0.5O222①⑥國家重點研發(fā)項目：杭州環(huán)境集團(tuán)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷示范工程

技術(shù)關(guān)鍵：500m3產(chǎn)氫發(fā)酵罐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，以及產(chǎn)氫罐和產(chǎn)甲烷罐耦合生物天然氣開汽車的示范工程日產(chǎn)生物天然氣量6萬m3/天，可供應(yīng)南寧市2000輛出租車代油使用(目前已實際運(yùn)行400輛)，則每輛出租車節(jié)省燃料費(fèi)3000元/月。燃?xì)獗热加蜏p排CO和HC量約70-90%，減排SO

量90%，減排NO

量39%，減排PM2.5量30-40%，減排CO

量24%。2X2191.4

熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫熱化學(xué)硫碘循環(huán)水解制氫(1)

I

+SO

+2H

O→

H

SO

+2HI22224(2)

H

SO

→

SO

+H

O+1/2O24222(3)

2HI→

I2+H2

熱化學(xué)硫碘開路循環(huán)將反應(yīng)溫度從循環(huán)能源利用效率對比950℃降低至500℃，實現(xiàn)H

SO

和研究團(tuán)隊24最高51%57%最合理33%~36%34%H2聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率達(dá)66.79%；Goldstein

et

al.Kasahara

et

al.Lee

et

al.采用電廠供熱的氫氣成本為8.17元/kg，可利用冗余水電和風(fēng)電等進(jìn)行電解水制氫（傳統(tǒng)，成熟，電耗高），發(fā)展下游新能源汽車產(chǎn)業(yè)。47%~48%51.1％ZJU

SI

cycleZJU

open

loop

cycle66.79%50

L/h浙大已建成

熱化學(xué)循環(huán)制氫系統(tǒng)三大模塊設(shè)備：Bunsen反應(yīng)、HI分解、硫酸分解模塊電網(wǎng)公司風(fēng)光電解水制氫儲能前景廣闊

現(xiàn)階段基于H2化學(xué)能的大規(guī)模風(fēng)光儲能：電網(wǎng)電網(wǎng)堿性電解槽壓縮H2高壓儲存SOFC發(fā)電

中長期風(fēng)光電解水制氫儲能研發(fā)方向：PEM聚合物電解槽，提高能量效率>90%以上；SOFC固體氧化物燃料電池，提供能量轉(zhuǎn)換效率>80%(充分余熱回收）；經(jīng)濟(jì)可靠的液體或固體儲氫技術(shù)；H2能耦合峰谷電、風(fēng)光電，實現(xiàn)整體儲能效率>60%。新型的經(jīng)濟(jì)制氫方法，加氫站的設(shè)計及建設(shè)布局。二、氫能儲運(yùn)安全2.1全球燃料電池汽車加氫站現(xiàn)狀23日本、美國和歐洲的加氫站規(guī)劃24我國目前加氫站的建設(shè)情況25加氫站工藝流程氣源調(diào)壓（計量）裝置加氣系統(tǒng)干燥系統(tǒng)氫燃料電池汽車氫氣壓縮系統(tǒng)儲氣高壓區(qū)中壓區(qū)低壓區(qū)系加氫站主要設(shè)備：泄氣柱、壓縮機(jī)、儲氫罐、加氣機(jī)、管道、控制系統(tǒng)、氮?dú)獯祾哐b置及安全監(jiān)控裝置統(tǒng)26美國能源部2020年儲氫技術(shù)目標(biāo)gravimetric

capacity:

5.5wt%volumetric

capacity:40g/Loperating

temperature:-40~60oCmax.delivery

pressure:12bar常溫常壓下氫氣密度:

0.089g/L6kg氫氣的體積：5米直徑的球提升壓力至700bar:150L制氫27儲氫用氫儲氫技術(shù)：安全高效、高密度、低成本（絕大多數(shù)加氫站和氫能源汽車都采用高壓儲氫）1、高壓容器儲氫(35~70MPa)，儲氫密度1.0~5.7wt.%優(yōu)點：儲氫容器結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗少、充裝和排放速度快，技術(shù)成熟成本低缺點：安全要求高，體積儲氫密度較低應(yīng)用：絕大多數(shù)氫能汽車、燃料電池電站、通訊基站應(yīng)急備用電源、加氫站2、低溫液氫儲存（-253℃），儲氫密度5.7wt.%優(yōu)點：體積儲氫密度高、液態(tài)氫純度高缺點：液氫成本高、熱漏損耗能大、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)用：航天試驗液氫燃料，民用少3、金屬氫化物儲氫，儲氫密度1.0~4.5wt.%優(yōu)點：氫純度高、體積儲氫密度大、使用安全；缺點：重量儲氫密度低，成本高、吸放氫對溫度要求應(yīng)用：未來重要發(fā)展方向、燃料電池氫源系統(tǒng)28儲氫技術(shù)原理方式對比車載氣態(tài)儲氫罐

液態(tài)儲氫罐固態(tài)材料儲氫金屬鎂體積密度高(70g/L)體積密度低需要高壓力壓縮氫氣能耗較高儲氫密度潛在能力高但綜合性能距離目標(biāo)值仍然很遠(yuǎn)壓縮冷卻液化能耗更高(約1/3所制得液氫的燃燒熱值)29壓縮氫氣與儲氫材料性能對比2.2高壓儲氫：常溫高壓氫脆是技術(shù)瓶頸工況：常溫、高壓、高純氫氣特征：材料塑性降低、裂紋擴(kuò)展速度加快31金屬材料氫脆過程H

with

GBOxide

film：HydrogenH

with

dislocationPlastic

bluntingDiffusionHmoleculeAdsorptionH2

pressureStresstriaxialityDiffusionImpuritymoleculeH

withPrecipitate/InclusionHwithSFH

with

vacancy322017年12月發(fā)布，2018年7月實施

工作壓力：25/35/50/70Mpa

A類≤35MPa，B類＞35MPa

水容積：A類≤450L；B類≤230L

設(shè)計使用年限：A類15年；B類10年

使用溫度：-45~80℃浙江大學(xué)研發(fā)的纖維全纏繞高壓儲氫技術(shù)研制成功高于70MPa的鋼帶錯繞全多層高壓儲氫容器及安全性能檢測裝置。創(chuàng)新性提出了全多層高壓容器結(jié)構(gòu)，將鋼帶錯繞筒體技術(shù)與雙層等厚度半球形封頭和加強(qiáng)箍等結(jié)構(gòu)相結(jié)合。3435MPa車載儲氫和45MPa站儲氫技術(shù)建立了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)－材料－工藝一體化的自適應(yīng)遺傳優(yōu)化設(shè)計方法,解決了超?。?.5mm）鋁內(nèi)膽成型、高抗疲勞性能的纏繞線形匹配等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶的輕量化。35高壓儲氫的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求金屬材料與高壓氫環(huán)境相容性：為使高壓氫系統(tǒng)長壽命、安全、可靠地運(yùn)行，世界各國標(biāo)準(zhǔn)均要求金屬材料與高壓氫環(huán)境具有良好的相容性。測試要求：測量氫致裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子

KIH、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等。國家/國際標(biāo)準(zhǔn)制訂:

國家標(biāo)準(zhǔn)

氫系統(tǒng)安全基本要求（國家標(biāo)準(zhǔn)計劃編號：20083230-T-469）

國家標(biāo)準(zhǔn)

車載纖維全纏繞高壓儲氫氣罐

（國家標(biāo)準(zhǔn)計劃編號：20074743-Q-469）

國際標(biāo)準(zhǔn)

站用高壓氫氣儲罐（國際標(biāo)準(zhǔn)提案編號:

ISO/TC197

N

436)

與法國液空公司（Air

Liquid）等國際名企一起，將我校自主研發(fā)的“全多層多功能高壓氫氣儲罐”納入國際標(biāo)準(zhǔn)。

國際標(biāo)準(zhǔn)

輕型燃料電池車用低壓儲氫容器362.3固體材料儲氫

較理想的儲氫反應(yīng)溫度：100oC附近

較理想的儲氫反應(yīng)壓力：10

atm左右

動力學(xué)，速度—功率

可逆性，可逆程度

材料工作壽命

物理吸附儲氫其他實際因素考慮：成本，安全基于分子間作用力需要較低溫度和較高壓力至今仍未有完美的儲氫材料！

化學(xué)吸附儲氫基于原子間的化學(xué)鍵合力需要較高溫度實現(xiàn)循環(huán)37不同儲氫材料的儲氫能力比較技術(shù)關(guān)鍵：體積密度重量密度可逆性38儲氫材料的熱力學(xué)性能39儲氫材料的動力學(xué)性能

Kinetic

properties

Kineticprocess

Different

kineticmodels

Reaction

barrier:Activationenergy金屬-氫反應(yīng)過程中體系自由能變化Moredifficult

duringdehydrogenation

thanhydrogenation40傳統(tǒng)合金儲氫材料AB

-LaNi

(MmNi

Mx)555-xNi-MHBatteries儲氫量1.5wt%、動力學(xué)好、較貴AB

-ZrCr

(Ti

Zr

CrMn)221-xx儲氫量2.0wt%、動力學(xué)好、昂貴、難活化AB–FeTi儲氫量1.8wt%、動力學(xué)好、易中毒、歧化A

B-Mg

Ni22儲氫量3.6wt%、動力學(xué)差Mg

儲氫量7.6wt%、動力學(xué)很差

（約400oC、30atm)41近年發(fā)展的物理吸附儲氫材料

Carbon,MOFs,zeolites,

porouspolymers,

…

Adsorptionenthalpies:

~2-5kJ/molH2LiquidN2temperature

Capacitylimitedbyspecific

surfacearea(SSA),

pore

structureandpore

sizes

Ideal

materials:

High

SSA,

pore

size

<1nm

Better

measuredwithupto2~10MPa

H2,usingIUPAC

“excess

hydrogenmaterialcapacity”.H2

uptakecapacities

at77KandBET

surface

areasof

Goal:

higher

capacity

upto10wt%at2-3MPavarious

MOFs42近年發(fā)展的化學(xué)儲氫材料

HydrolyticHydride

Systems氫化物水解體系

NaBH4:

Usually

irreversible

Reversible

Hydride

Systems可逆儲氫體系

InterstitialMetalhydridesAB

(LaNi

),

AB

(A=Ti,Zr,

Mg;B=V,

Cr,

Fe,Mn),

AB

…5523

Salt-likeMgH2:highcap.,lowcost,env.

friendly,goodreversibility

NaAlH4

Irreversible

Hydride

Systems非可逆儲氫體系

LiAlH

,LiBH

,Mg(BH

)444

2

Amine-Borane

Adducts:

NH3B3H7,

胺硼烷

Amides/Imides氨基化合物，酰亞胺等43三、氫燃料電池系統(tǒng)化學(xué)總反應(yīng)式

：2H

+O

=2H

O

+電+熱222氫燃料電池是將氫氣和氧氣化合產(chǎn)生電、水、熱的電化學(xué)裝置。只要保證燃料供給，氫燃料電池將會連續(xù)發(fā)電。整個化學(xué)反應(yīng)過程安靜、無污染，電池效率比化石燃料燃燒高2~3倍，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80~90%。44燃料電池分類45五種燃料電池的優(yōu)缺點46燃料電池的技術(shù)難點473.1質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)造原理48質(zhì)子交換膜燃料電池的陰陽極反應(yīng)PEMfuelcellLoadCarbonblacke-

PlatinumCatalystH2AirAnodeH+CathodeNISTBipolar

GasDiffusionplate

LayerMembraneElectrodeAssemblyGasDiffusion

BipolarLayer

plateAnode

ReactionCathode

ReactionO

+4H+

+4e-

2H

O2H2

4H+

+4e-2249質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)組成NREL50質(zhì)子交換膜PEM(protonexchangemembrane)

作用：電解質(zhì)，傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離反應(yīng)氣體

要求：穩(wěn)定不降解，高效傳導(dǎo)質(zhì)子，不傳電子，氣體滲透系數(shù)低，溶脹系數(shù)小，強(qiáng)度高

材料：NafionDow膜，復(fù)合膜，BaM3G膜51催化層CL(Catalystlayer)

作用：燃料電池反應(yīng)關(guān)鍵，催化劑以及催化劑載體形成的薄層；

要求：導(dǎo)電性好，載體耐蝕，催化活性大；

材料：Pt/C,Pt-Ru/C

載體材料C：納米顆粒碳，碳納米管，碳須

最先進(jìn)的技術(shù)是3M的催化劑“小麥”種植技術(shù)

催化劑最先進(jìn)的是“殼核”結(jié)構(gòu)52氣體擴(kuò)散層GDL

(gasdiffusion

layer)

作用：傳質(zhì)，導(dǎo)電，傳熱，支持催化層，導(dǎo)水

要求：高孔隙率，接觸電阻小，內(nèi)阻小，導(dǎo)熱好，穩(wěn)定性高不降解，強(qiáng)度高

材料：石墨化碳紙或碳布53流場板FP(Flow

Plate)

對于水冷流場，又稱為雙極板Bipolar-plate

作用：氣體分配，集流，導(dǎo)熱，密封

要求：重量小，高電導(dǎo)，高熱導(dǎo)，耐腐蝕，耐壓，低成本

材料：石墨，合金54燃料電池系統(tǒng)集成GMFCUSfuelcellBMW，5

GT豐田55燃料電池系統(tǒng)集成HD6ballard新源動力Flow

CathIntellagent

energy56燃料電池系統(tǒng)集成573.2車用燃料電池系統(tǒng)工作原理583車用質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理59車用質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理60車用高壓儲氫罐的外觀結(jié)構(gòu)61車用高壓儲氫罐的工作原理62車用高壓氫氣儲罐的性能特點氣瓶瓶身常規(guī)運(yùn)作壓力儲存密度邊緣部分頂部內(nèi)部體積氫氣儲存量內(nèi)襯塑料膜(密封氫氣)炭纖維塑料層（確保壓力的存在）玻璃纖維塑料層（保護(hù)表層）車用液態(tài)氫氣儲罐的性能特點內(nèi)部容器超絕緣體液體深位探測外部容器·充氣線懸浮氣體萃取液體氫氣

-253攝氏度萃取液體充氣部分安全閥門氣態(tài)氫關(guān)閉閥門電子加熱冷卻水熱交換器換向閥（氣態(tài)/液態(tài)）643.3燃料電池整車構(gòu)造原理日本豐田Mirai燃料電池汽車65日本豐田Mirai燃料電池汽車的內(nèi)部構(gòu)造66燃料電池汽車的氫氣儲存過程67燃料電池汽車的氫氧反應(yīng)產(chǎn)電動力系統(tǒng)基本原理是電解水的逆反應(yīng),把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。68燃料電池客車構(gòu)造工作原理電動機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)車輪制動踏板電動機(jī)控制器車輛控制器電機(jī)機(jī)械傳動裝置加速踏板車輪燃料電池系統(tǒng)電子接口設(shè)備功率控制單元輔助電源方向盤溫度控制單元峰值電源能源子系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)69燃料電池客車的系統(tǒng)構(gòu)型驅(qū)動電機(jī)額定100kW最大180kW上海神力燃料電池130kW雙向DCDC放電：50kW充電：20kW鎳氫或鋰離子電池80~100Ah200～250V目標(biāo)樣車70豐田燃料電池車市客車FCHV71德國奔馳燃料電池城市客車72國內(nèi)外典型燃料電池乘用車的性能參數(shù)對比73我國正式生產(chǎn)的燃料電池車型74中國近年燃料電池汽車的三大技術(shù)突破753.4燃料電池汽車安全系統(tǒng)76燃料電池車與傳統(tǒng)汽油車失火對比照片1–時間:0分0秒–氫燃料

照片2–時間:0分3秒–兩種燃料點火，氫流量2100SCFM，汽油流量680CC/m