氢能与氢燃料电池产业链概述教学内容

氢能及氢燃料电池产业链概述2018年3月20日目录•一、氢能产业链•二、氢燃料电池产业链•（一）制氢•（二）储运氢•（三）加氢站•（四）氢燃料电池•（五）氢燃料电池汽车•三、总结一、氢能产业链•氢能，H2，资源丰富，来源多样，可储存，可再生，热值高，清洁无污染，是唯一的同时满足资源、环境、可持续发展要求的新能源，很可能成为二十一世纪的终极能源（氢的同位素：氕、1H，氘、2H，氚、3H）。•氢能产业链包括：制氢、储运、加氢、氢气应用。制氢是基础，储运和加氢是氢气应用的核心保障。氢能产业链构成制氢储运应用化石燃料制氢气体存储运输合成氨含氢尾气、副产氢回收制氢液氢存储运输精炼油电解水制氢固态存储运输精甲醇化学热分解制氢有机物存储运输其他工业光解水制氢交通运输生物质制氢热电联供储能-发电工业燃料传统用途氢能源二、氢燃料电池产业链•氢能利用的核心媒介是氢燃料电池。•氢+氧燃料电池水+电流+热量•化学总反应式：2H2+O2=2H2O+电+热•氢燃料电池产业链包括：制氢、储运氢、加氢站、氢燃料电池系统、各项应用。氢燃料电池产业链构成氢能源（制氢、储运）加氢站燃料电池系统电堆系统辅件膜电极端板双极板密封圈气体扩散层应用空压机增湿器氢循环系统DC/DC碳布/碳网催化剂质子交换膜客车轿车机车叉车便携式电源固定式电源（一）制氢•氢是二次能源，都是通过一次能源转化而来。•目前常用的制氢方法：化石燃料制氢、工业尾气副产氢回收、热分解制氢、电解水制氢。制氢方式化石燃料制氢含氢尾气副产氢回收高温分解制氢电解水制氢其他制氢方式石油制氢天然气制氢煤气化制氢氯碱副产氢焦炉气氨分解甲醇裂解合成氨驰放气生物质气化风能光解水水能核能地热海洋能太阳能纯化氢气各种制氢方式的优缺点制氢方式优点缺点备注化石燃料制氢技术成熟、成本低、适合大规模制氢排放量高、气体杂质多需提纯我国现阶段氢气主要来源含尾气、副产氢回收成本低、来源广泛、提纯技术成熟、回收过程碳排放量低、环境友好、适合大规模制氢提纯工艺相对复杂我国氯碱工业、焦炉煤气副产氢资源丰富化学热分解制氢转化率高、原料易得、工艺简单成本高需要经过高温裂解水电解制氢技术成熟、产氢杂质少、电力资源丰富、制氢过程碳排放量低、环境友好能耗高，有能量损失、成本较高、减排效果受电力来源结构影响利用核能、风能、水能、太阳能等可再生能源，水电解制氢将清洁无排放生物质气化制氢、光解水制氢环境友好、原料丰富尚未实用化、转化率低、成本高还处于科研阶段电解水制氢相关企业及性能企业工艺设备制氢能力（Nm3/hH2）电耗（kwh/Nm3H2）氢气纯度(%)中船718所碱性水电解制氢1~600≤4.6099.99天津市大陆制氢碱性水电解制氢0.1~1000≤4.4≥99.99苏州竞立碱性水电解制氢2~1000≤599.9淳华氢能固体聚合物水电解制氢10~504.8~5.099.999苏州国能圣源碱性水电解制氢5~5004.499.9扬州中电碱性水电解制氢20~10004.599.999（二）储运氢•氢气是世界上已知的密度最小的气体，在常温常压下，氢气的密度只有空气的1/14，即在0℃时，一个标准大气压下，氢气的密度为0.0899g/L。•储运氢技术主要包括：气态储运、低温液态储运、固体储运、有机液态储运。各种储运技术的质量储氢密度和优缺点储存方法单位质量储氢密度（%）优点缺陷技术突破备注高压气态储氢1.0~5.7技术成熟、充放氢速度快、成本低体积储氢密度低提高体积储氢密度目前车用储氢主要采用的方法低温液态储氢~5.7体积储氢密度高、液态氢纯度高液化过程耗能大、易挥发、成本高降低能耗、成本、挥发液氢主要用于航空航天领域，民用很少固体储氢1.0~4.5体积储氢密度高、安全、操作条件以实现不需要高压容器、具备纯化功能，可得到高纯度氢质量储氢密度低，成本高、吸放氢有温度要求提高质量储氢密度、降低成本和吸放氢温度未来重要发展方向有机液体储氢5.0~7.2储氢密度高、储存、运输、维护保养安全方便、可多次循环使用成本高、操作条件苛刻、有发生副反应的可能降低成本、操作条件可以利用传统石油基础设施进行运输和加注，很有前景储运氢相关企业储运氢方法企业主营业务气态储氢液态储氢固态储氢有机液态体储氢北京科泰克车用储氢京城股份/天海车用储氢沈阳斯林达车用储氢中材车用储氢中国中氢车用储氢中集氢能车用储氢安瑞科运输及站用储氢罐博源（湖北）实业气罐、气罐车浙江巨化储氢罐张家港福瑞氢能液氢生产、低温槽车中国航天科技集团101所液氢生产北京浩运金能储氢合金厦门钨业储氢合金宁波申江储氢合金粉湖南科力远储氢材料安泰科技储氢材料江苏申建氢能储氢材料武汉氢阳有机物储氢杭州聚力氢能有机物储氢（三）加氢站•氢燃料电池的应用和商业化离不开加氢站基础设施的建设。•氢气加注是通过将不同来源的氢气经过压缩机增压储存在站内的高压罐中，再通过加气机为氢燃料电池汽车加注氢气。加氢站流程图气源干燥系统调压（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设备•加氢站的主要设备：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。•核心设备：压缩机、储氢罐、加气机。•目前我国从事核心设备研发的企业较少，加氢核心设备主要依赖进口，自主产品发展不成熟，导致了我国加氢站建设成本很高。•目前我国加氢站建设技术已经很成熟，最大问题是建设成本很高，关键是土地成本和核心零部件成本较高。加氢相关企业省份主要企业主营业务上海上海涡卷压缩机上海舜华加气机、增压加氢系统、移动加氢站上海氢枫加氢站设计、运营上海驿蓝加氢站建设北京中国神华加氢站建设北京久安通加氢站方案设计北京海珀尔加氢站方案设计及运营北京海德利森移动加氢站石家庄安科瑞站用储氢罐北京天高隔膜压缩机广东深圳氢枫加氢站运营中石油加氢站建设、运营中石化加氢站建设、运营江苏苏州绿萌氢能加氢站设计江苏氢联合移动加氢站加氢相关企业省份主要企业主营业务江西普度氢能加氢站设计、建设陕西国达新能源加氢站建设四川成都华气厚普压缩机安徽安徽明天氢能加氢站建设山东青岛青枫加氢站设计、建设加氢站建设•加氢站是氢燃料电池产业化、商业化的重要基础设施，2017年我国加氢站建设提速，从2016年的3座增加到8座。•《中国制造2025》《节能与新能源汽车技术路线图》《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》明确提出了2020-2030年的加氢站建设规划。《节能与新能源汽车技术路线图》•到2020年建设100座加氢站•到2025年建设350座加氢站•到2030年建设1000座加氢站《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》•到2020年建设100座加氢站•到2030年建设1000座加氢站•到2050年加氢站服务区域覆盖全国氢能产业发达地区《中国制造2025》•到2020年生产1000辆燃料电池汽车并进行示范运营•到2025年实现加氢站等配套基础设施完善国内加氢站建设规划我国加氢站建设现状序号（规划）建成年份城市名称进展12006北京北京永丰加氢站已运营22007上海上海安亭加氢站已运营32015郑州郑州宇通加氢站已运营42016大连同济-新源大连加氢站已运营52016云浮思劳加氢站已运营62017佛山瑞晖佛山加氢站已运营72017常熟丰田加氢站已运营82017如皋南通百应加氢站已运营92018上海嘉定加氢站规划102018安徽六安加氢站规划112018如皋神华加氢站在建122018云浮新区规划我国加氢站建设现状序号（规划）建成年份城市名称进展132018云浮罗定加氢站在建142018云浮云安区加氢站规划152018云浮新兴县加氢站规划162018云浮郁南县加氢站规划172018山东滨州滨化加氢站在建182018湖北十堰东风特汽加氢站在建192018广东中山古镇加氢站在建目前加氢站建设的难点•1、审批难。加氢站属于新生事物，国家还没有建立健全相关法规，土地规划、建设选址等审批程序、流程、标准以及审批层级、权责没明确，审批过程长，协调部门多；•2、无统一规范的建设标准。国家还没有统一制定加氢站的技术标准、安全标准、运营标准，安全监管较难，严重制约加氢站商业化。•3、建设成本高。加氢站的建设条件要求高，核心零部件如压缩机、加气机等主要依赖进口，制氢、储运氢成本也比较高；此外氢燃料电池商业化还处于起步阶段，成本回收也比较漫长，目前的加氢站还处于试点阶段。例如神华集团在我们如皋建设的一座加氢站的投资额就高达5300万。（四）氢燃料电池•氢燃料电池（HydrogenFuelCell），是将氢气和氧气化合产生电、水、热的电化学装置。只要保证燃料供给，氢燃料电池将会连续发电。整个化学反应过程安静、无污染，电池效率比化石燃料燃烧高2~3倍，能量转换效率可达80~90%。•氢+氧燃料电池水+电流+热量•化学总反应式：2H2+O2=2H2O+电+热•氢燃料电池是一种真正的零排放电源。氢燃料电池系统•氢燃料电池系统是由电堆（核心）、氢气供给循环系统、空气供给循环系统、水热管理系统、电控系统、智能监控系统相互协调构成。目前我国氢燃料电池系统集成技术比较成熟，但冷启动温度一般为-20℃，与丰田的-30℃还有差距。氢燃料电池系统构成图催化剂质子交换膜碳布/碳网气体扩散层双极板膜电极密封圈端板电堆氢燃料电池系统电控系统（DC/DC）水热管理系统（增湿器）空气供给循环系统（空压机）氢气供给循环系统氢燃料电池系统主要企业及产品参数企业功率（KW）运行/储存温度（℃）应用北京艺华通30、60-20~45/-30~45商用车、乘用车新源动力45-20~45/-20~45商用车、乘用车上海重塑30、60-20~45/-30~45商用车、乘用车北京蓝吉16、30、45——商用车、乘用车上海攀业0.03、5-5~40无人机、通信基站大连光阳机电31-10~42/0~42商用车上燃动力0~6-10~42商用车苏州弗尔赛5~10-10~42观光车、叉车、备用电源江苏索尔30——商用车北京氢能10、30-10~45/-40~60商用车北京碧空175-20~40发电系统、备用电源武汉众宇1.2、2、4、6、10、100-10~45无人机、备用电源南通泽禾50、175-20~40发电系统、备用电源浙江南都50~50/-10~50通信基站氢燃料电池系统核心零部件•1、电堆（Galvanicpile），分为水冷电堆和空冷电堆。一般空冷电堆用于小型化设备中，如上海攀业、江苏清能生产的空冷电堆，功率、体积较小。•2、膜电极（MembraneElectrodeAssemblies），通常由气体扩散层、质子交换膜、催化剂通过热压工艺制成，是氢燃料电池技术的核心。目前我国的膜电极功率密度最高达到1.0W/cm2,与国际水平的1.8W/cm2，仍有差距。•3、催化剂（Fuel-cellcatalyzer），具有加速电极交换界面电荷转移反应的催化作用，具有导电性好、耐腐蚀性、催化活性高的特点。铂（Pt）是氢燃料电池电堆中应用最多的催化剂，但铂很稀缺，价格高（193元/克），低铂和非铂催化剂成为下一步催化剂研究开发的重点。4、质子交换膜•质子交换膜（ProtonExchangeMembrane），是氢燃料电池的心脏，具有为电解质提供氢离子通道和隔离两极反应气体，防止它们直接产生作用的双重作用。其类型包括：全氟磺酸膜、非全氟化膜、无氟化膜和复合膜，其中全氟磺酸膜是主流，主要供应商是美国杜邦公司。为降低成本，加拿大Ballard公司也开发了部分氟化膜。山东东岳集团2010年自主研发了全氟磺酸膜，实现国产化，打破了美国、日本长期的垄断。各类质子交换膜的优缺点类型优点缺点全氟磺酸膜（主流）机械强度高，化学稳定性好，在湿度大的条件下导电率高；低温时电流密度大，质子传导电阻小高温时膜易发生化学降解，质子传导性变差；单体合成困难，成本高；用于甲醇氢燃料电池时已发生甲醇渗透非全氟效率高；单电池寿命提高；成本低氧溶解度低无氟化膜电化学性能与Nafion相似；环境污染小；成本低化学稳定性较差；很难同时满足高质子传导性和良好机械性能复合膜可改