氢能的发展现状

1氢能产业技术国内外进展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5一.制氢技术化石燃料Fossilfuels水Water•天然气重整Steamreforming•天然气部分氧化Partialoxidization•天然气热解Thermalcracking•煤气化Coalgasification•电解水Waterelectrolysis•热解水Thermolysis•热化学循环Thermalchemicalcycles•光催化分解Photolysis制氢原料制氢方法其他Others•H2S热解H2Spyrolysis•化工尾气H2fromChemicalIndustry•焦化行业尾气H2fromcokeindustry生物质Biomass•微生物发酵Bacteriafermentation•生物质气化BiomassGasification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2500℃～3000℃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1.1化石燃料制氢目前全球H2产量在5千万吨/年左右，且年增长率6%～7%。全球商业用H2大约96%由煤、石油和天然气等化石燃料制取。我国生产的H2有80%以上用于煤气化合成氨工业。世界产氢原料对比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WinklerCFBgasifierC+O2=CO2CO2+C=2COC+H2O=CO+H2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20~30%(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:RaneyNi、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe等.2OHH2eO2H222eOHO2OH2221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75~85%，电耗：~4.5kWh/m3-H2，电费占成本80%。工业电解水制氢装置装置组成：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。单位类型设备型号产氢量（Nm3/h）氢气纯度电流密度(A/cm2)电解效率氢气出口压力（bar）综合耗电量网站加拿大Hydrogenics有限公司PEM水电解HySTAT-x-30系列300;1000;500099.9980%0~305.0~5.4KWh/Nm3~305.2KWh/Nm3美国ProtonOnsite有限公司PEM水电解StableFlow™20099.9995%30系列0.53；1.0599.9995%13.8C系列10；20；3099.9998%30H系列2；4；699.9995%15；30国内外PEM电解水制氢设备性能对比中船重工718研究所PEM水电解PEM电解制氢设备0.01~50185%淳华氢能科技股份有限公司PEM水电解M系列-CPH-500~5099.9900%0~354.8KWh/Nm3系列-CPH-1-101~1099.9900%0~355.0KWh/Nm3S系列-CPH-0.3-0.60.3~0.699.9900%0~355.0KWh/Nm3山东赛克赛斯氢能源有限公司PEM水电解QLS-H6699.9999%加拿大Hydrogenics公司PEM电解水制氢设备HySTAT®基础款系列最大工作压力：10-25bar最大产氢速率：根据不同型号（10、15Nm3/h）产氢纯度：99.999%产氢能耗：4.9kWh/Nm3atfullloadHySTAT®集装箱系列集成了HySTAT®制氢设备，冷却系统、给水净化系统、氢气净化系统等外围设备。最大工作压力：10bar最大产氢速率：根据电堆数量（10-60Nm3/h）产氢纯度：99.998~99.999%产氢能耗：5.4kWh/Nm3atfullload根据客户需求可以产生150bar，500Nm3/h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2017欧洲第一台潮汐能发电制氢装置产氢能力：220kg/day电解槽ITMPower公司提供加拿大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2019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。PEM电解水制氢的工业应用阴极扩散层阴极端板阳极端板垫圈膜负载催化剂阳极扩散层阳极端盖/储水槽PEM电解槽氢气分析仪浙江大学PEM电解水制氢实验装置电化学工作站1.3生物质制氢暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H2、小分子有机酸H2、CO2优点底物多元化底物转化率、产氢率提高2-3倍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②①⑥③④⑤61262222226123226232CHCOOH2CHCOOHCHO2HO+2CO4H4HO4CO8HC12HO+6HO6CHO光（1）（2）总反应：(3)6CO2+6H2O=C6H12O6+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19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%。研究团队循环能源利用效率对比最高最合理Goldsteinetal.51%33%~36%Kasaharaetal.57%34%Leeetal.47%~48%ZJUSIcycle51.1％ZJUopenloopcycle66.79%1.4热化学循环分解水制氢热化学硫碘开路循环将反应温度从950℃降低至500℃，实现H2SO4和H2联产系统效率达66.79%；采用电厂供热的氢气成本为8.17元/kg，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），发展下游新能源汽车产业。热化学硫碘循环水解制氢(1)I2+SO2+2H2O→H2SO4+2HI(2)H2SO4→SO2+H2O+1/2O2(3)2HI→I2+H2浙大已建成50L/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H2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：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气源干燥系统调压（计量）装置氢气压缩系统加气系统低压区中压区高压区储气系统氢燃料电池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年储氢技术目标制氢储氢用氢常温常压下氢气密度:0.089g/L6kg氢气的体积：5米直径的球提升压力至700bar:150Lgravimetriccapacity:5.5wt%volumetriccapacity:40g/Loperatingtemperature:-40~60ºCmax.deliverypressure:12bar271、高压容器储氢(35~70MPa)，储氢密度1.0~5.7wt.%优点：储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装和排放速度快，技术成熟成本低缺点：安全要求高，体积储氢密度较低应用：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2、低温液氢储存（-253℃），储氢密度5.7wt.%优点：体积储氢密度高、液态氢纯度高缺点：液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂应用：航天试验液氢燃料，民用少3、金属氢化物储氢，储氢密度1.0~4.5wt.%优点：氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；缺点：重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求应用：未来重要发展方向、燃料电池氢源系统储氢技术：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）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金属镁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)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、高纯氢气特征：材料塑性降低、裂纹扩展速度加快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OxidefilmImpuritymoleculeHmoleculeHwithGBH2pressure：HydrogenHwithvacancyHwithdislocationHwithPrecipitate/InclusionHwithSFPlasticbluntingStresstriaxialityDiffusionDiffusionAdsorption322017年12月发布，2018年7月实施工作压力：25/35/50/70MpaA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：-45~80℃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。浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术34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。35MPa车载储氢和45MPa站储氢技术35国家/国际标准制订:国家标准氢系统安全基本要求（国家标准计划编号：20083230-T-469）国家标准车载纤维全缠绕高压储氢气罐（国家标准计划编号：20074743-Q-469）国际标准站用高压氢气储罐（国际标准提案编号:ISO/TC197N436)与法国液空公司（AirLiquid）等国际名企一起，将我校自主研发的“全多层多