符合中国国情的甲醇重整氢燃料电池系统

符合中国国情的甲醇重整氢燃料电池系统 上海博氢新能源科技有限公司沈建跃博士 背景 2018年5月11日，李克强总理在日本首相安倍晋三陪同下，参观了丰田的氢燃料电池车“Mirai“。 丰田短短几年实现“混动-插电式混动-电动-氢燃料电池”的发展路径，成为氢燃料电池行业领跑者。 李克强总理的此次走访在产业内外掀起了一波关于氢燃料电池汽车发展的热议。 早在2005年，胡锦涛已经访问全球著名燃料电池公司Ballard，了解燃料电池技术。 中国 现代化发展面临的 能源安全 两大现实难题环境污染 能源安全 据国家统计局数据显示： 2019年1-7月中国原油进口量超2.85亿吨。石油进口对外依存度将高达72%，远超国际公认警戒线。 相关机构预测，到2030年，我国对外能源依存度将超过80%。 环境污染 美国健康效应研究所近日发布的《2019全球空气状况》报告（基于2017年数据）显示：2017年全球因长期暴露于室外和室内空气污染而死于中风、心脏病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人数达到近500万；而在中国，该 数字是120万。 《2019全球空气状况》报告数据显示，2017年在中国，空气污染使人均预期寿命缩短23个月，其中，室外、室内空气污染分别减少人均预期寿命15个月和8个月。在非传染性疾病中，空气污染对肺癌发病的贡献率是26%，对心脏病、中风的贡献率分别是17%、12%。 人类能源的发展轨迹——对效率的追求 木炭 煤炭 石油 天然气 氢能 火/木材 人类文明的诞生 3-8% 蒸汽机 第一次工业革命 10-15% 内燃机 第二次工业革命 25-40% 天然气管道清洁能源35-55% 氢能时代燃料电池40-65% 多碳无碳 日本氢能源发展现状 日本是一个化石资源匮乏的国家。 日本环海的特点使日本的太阳能、风能、海洋能资源丰富。 日本将这些自然能源转换成氢能储存，成为发展氢能源力度最大的国家。 中国氢能源行业发展现状及愿景 截至目前，北京、上海、江苏如皋等多地、安徽六安、广东广州佛山、山东济南等多地、浙江台州宁波、湖北武汉、山西大同、河北张家口、陕西西安等地都出台了相关的氢能发展规划。 《中国制造2025年》提出实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善。 氢燃料电池推广中遇到的问题 H2是分子量最小的气体，非常活跃，储存存在安全问题（氢脆） 氢气压缩非常困难储存条件苛刻 运输成本很高（如图一车氢罐，只能满足40-50台乘用车的加氢要求。） 氢燃料电池推广中遇到的问题 建设成本高昂 核心设备依赖进口 加氢站推广中的几大难题： 选址要求苛刻 审批复杂 甲醇-安全、可行的能源载体 美国诺贝尔获得者GeorgeOla博士——甲醇经济：甲醇是最理想的二次能源 1 2 3 4 常温下是液体便于储存和运输生产工艺成熟配套链完善 甲醇能源-符合中国特色的能源 2 4 1 中国煤炭资源丰富，仅以煤制甲醇便可保证我国百年能源安全。未来甲醇还可通过生物质、农作物秸秆等制成。 截至2018年，全球甲醇产能约14400万吨/年，中国甲醇产能达8600万吨/年，占世界产量60%以上。 3 中国仍在不断加大甲醇产业建设，预计未来新增产能2000万吨。 生产技术成熟，且成本低于汽、柴油。 甲醇能源-符合中国特色的能源 早在18年前，甲醇汽车就被列为了国家重点科技项目，并在多个城市推动试点。 2014年，工信部将甲醇汽车试点扩展至中国“四省一市”：山西省、陕西省、上海市、贵州省、甘肃省。 2015年，工业和信息化部办公厅印发了《车用甲醇燃料加注站建设规范》和《车用甲醇燃料作业安全规范》的通知。 2017年，甲醇汽车试点已经全部得到国家工信部专家组验收，未来将进一步扩大试点范围。 甲醇能源-符合中国特色的能源 2019年3月19日，国家工信部、发展改革委、科技部、公安部、生态环境部、交通运输部、卫生健康委、市 场监管总局8个部门联合发布《在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》。 着力突破甲醇高效能量转化机制、低排放控制、长寿命低成本耐腐蚀材料等共性关键技术。深入开展甲醇汽车尾气的健康影响等研究。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。推进和加快甲醇燃料生产及加注体系的建设。 甲醇能源-符合中国特色的能源 2020年4月23日，国家财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》财建〔2020〕86号。 调整补贴方式，开展燃料电池汽车示范应用 将当前对燃料电池汽车的购置补贴，调整为选择有基础、有积极性、有特色的城市或区域，重点围绕关键零部件的技术攻关和产业化应用开展示范，中央财政将采取“以奖代补”方式对示范城市给予奖励（有关通知另行发布）。争取通过4年左右时间，建立氢能和燃料电池汽车产业链，关键核心技术取得突破，形成布局合理、协同发展的良好局面。 甲醇-安全、可行的能源载体 美国能源部发表-能源安全比较 危险 汽油 柴油 甲醇 LPG 漏泄 3 1 2 5 蒸发 3 1 2 4 释放到大气 5 6 3 4 释放在密闭室 2 5 4 3 自动点火 6 5 4 3 火花点火 2 1 - 3 火焰传播 2 1 5 3 暴燃 5 6 1 2 由火焰辐射 6 7 1 5 健康影响 7 5 6 4 总共 41 34 28 36 ►能源安全性高 从燃料物化特性考虑几种燃料的相对危险性以七级划分(1=低，7=高) 不同能源动力系统优劣势分析表 动力 能量密度 能效 碳排放PM2.5 安全性 初始成本 运营成本 寿命 环境适应性 推广社会成本 柴油/汽油内燃机汽车 ★★★★★ ★ ★ ★★★★ ★★★★★ ★★ ★★★★★ ★★★★★ ★★★★★ 锂电池汽车 ★★ ★★★★ ★★★★★ ★★ ★★ ★★★★★ ★ ★ ★★ 氢燃料电池汽车 ★★★ ★★★ ★★★★★ ★ ★ ★ ★★ ★★ ★ 甲醇氢燃料电池汽车 ★★★★ ★★★★ ★★★★★ ★★★★★ ★ ★★★★★ ★★ ★★★ ★★★ ★数量表示性能优越性 甲醇重整氢燃料电池和高压氢燃料电池车对比 “与高压储氢燃料电池比较，甲醇重整制氢燃料电池更加经济、可行” 甲醇重整制氢燃料电池物流车 ►加注甲醇方法多样：甲醇站、加油站部分改造、槽罐车等 ►同等体积下，能量为高压氢罐的两倍 高压氢燃料电池物流车 ►加氢站少，加氢困难 ►加氢站建设费用和运输费用高昂 高效环保 甲醇作为能源的使用途径 1 直接燃烧 CH3OH 2 内燃机 3 甲醇重整制氢燃料电池 甲醇重整氢燃料电池 NeCar3 1997年Necar3内置甲醇重整器，WGS（水汽变换）+PrOXPReferentialOxidation （优先氧化）装置，几乎占据后座和整个尾箱。 甲醇重整氢燃料电池 NeCar5 2000年的Necar5已经可以将甲醇重整器60kW，CO去除装置，锂电池等整套系统放置于A级奔驰汽车的地板之下，并完成了横跨美洲大陆之举 （5200km）。 甲醇重整氢燃料电池 影响NeCar5推广的原因： 成本问题 体积问题 技术问题 公司情况-中国首家把甲醇重整制氢技术产业化的公司 加拿大博能公司成立 博源燃料电池(上海)成立 世界首台拉箱式氢燃料电池电源 （使用成本：100元/kwh） 世界首台甲醇氢燃料电池中巴 常州博能新能源成立、上海博氢成立 落户浙江慈溪建设 中国最大甲醇重整氢燃料电池生产基地 1998 2000 2004 2009 2010 2014 2015 2016 2017 2018 2019 苏州氢洁电源成立 世界第一台氢燃料电池自行车 中国第一个光伏氢储能电站 世界首台甲醇氢燃料电池物流车 获工信部公告-甲醇氢燃料电池物流车 进入《新能源汽车推广应用2016推荐车型目录》、《免征车辆 购置税的新能源汽车车型目录》 （使用成本：0.9元/kwh） （使用成本：10元/kwh） 甲醇重整制氢燃料电池原理 甲醇：60%水：40% CH4O+H2OCO2+3H2+1%CO 甲醇CH4O 吸热过程 水溶液气化室 H2O甲醇及水的混合蒸汽 热量 重整室 约220°C 放热过程 DC+ 约160°C DC- 高温 燃料电池 H2与CO2混合气体 及微量CO和水蒸气 热量 直接输出直流电，可给电动车电池充电，或车辆运行时提供电力 未反应完气体H2,CO2 放热过程 氧化室 尾气 HO+CO 22 在此系统中，氢气即产即用，无高温高压，安全可靠 甲醇制氢的技术方式比较 甲醇容器 CH4O H2,CO2,CO H2 H2 H2混合气 高压氢和甲醇重整技术路线设备结构对比 氢气循环泵 H2 H2 氢气罐+减压阀 O2 高压力空气压缩机 器 湿 增 器 湿 增 散热器 DeltaT=75–35=40DegC 温差小，体积大 器 湿 增 甲醇箱 0.7-2.2barg 器 整 氧化室 重 CO2+H2 降低60% O2 降低70% 氢气循环泵 H2 散DeltaT=170–35= 热135DegC 器温差大，体积小 器 湿 增 低压力鼓风机0.2-0.4barg 甲醇重整制氢燃料电池系统 280mm 480mm 780mm 功率：5KW重量：65KG 285mm 233mm 525mm 功率：300W重量：12KG 甲醇重整制氢燃料电池系统 冷却介质 泵，阀 热交换器 质子膜扩散层 催化剂 热管理 膜电极 重整器制氢系统 电堆 催化氧化 氧气供应 DC/DC 系统控制FMS 汽化 甲醇 BMS 鼓风机，过滤系统 密封件 双极板 甲醇进液 联合开发 外购件 Palcan自主生产 产品优势-转换效率高 40-46% ►能源转换效率最高 28-38% 25-32% 汽油机柴油机甲醇重整制氢 燃料电池 产品优势-与其它燃料比，碳排放低 ►CO2排放量与各种燃料比最低 要让现在的电力平均排放水平达到甲醇的水平，需要将煤炭火力发电的比例降低到45%以下！ (煤电比例70%) 产品优势-车载储氢与车载制氢的比较 kgCO2/kWh 车载储氢H2Gas 车载制氢 On-Road在路上 0.00 0.56 Off-Road离路 Production生产 0.59 0.22 Liquification液化 0.39 0.00 DistributionLeaks配管泄露 0.00 0.00 Compression压缩 0.12 0.00 TotalOffRoad总离路 1.09 0.22 TotalOn+OffRoad总路上+离路 1.09 0.78 ►CO2排放量比氢更低 产品优势-可实现真正的零排放 ►利用来自于阳光、CO2、H2O可再生能源制取的甲醇，则可实现真正的高效零二氧化碳排放（二氧化碳循环利用） （图片等内容来源于李灿院士PPT） 2020年1月17日 产品优势-可实现真正的零排放 ►中科院大连化物所国家实验室已经完成太阳燃料合成工业化技术路线前期中试，2018年7月在兰州启动太阳燃料千吨级甲醇工业化示范。 ►该项目计划建设年产1000吨甲醇装置，待装置稳定运行后，将二氧化碳加氢制甲醇规模扩大为3000吨/年。 ►是国内首次真正意义上实现利用太阳能等清洁能源生产甲醇的工程。 产品优势-运行成本优势 以东风T7物流车为例，每百公里使用成本最低。 柴汽油：2.87元/kWh 18升/百公里 135元/百公里 甲醇氢燃料电池：0.9元/kWh 2019年12月 我国甲醇价格 平均价格：2000元/吨。 47kWh/百公里 42.3元/百公里 公共充电桩电价大约是每度电1.0~1.5元,加上