氢能技术发展趋势调研(五)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-08-02 15:03

6. 氢能技术发展趋势

6.1氢能技术发展趋势

6.1.1零碳排放制氢

天然气制氢是主要的制氢方式,占全球氢气产量的76%,每年用于制氢消耗的天然气超过2000亿m3;煤气化制氢是另一种重要氢气来源,每年有超过1亿t煤炭用于氢气生产。能源公司多倾向将天然气制氢+CCS作为向绿氢过渡阶段的主要制氢技术,近年来建成的大型制氢装置不断增加。虽然可再生电力电解水制氢现阶段只占全球氢气产量的2%左右,但潜力巨大。碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水是3类主要的电解水制氢技术,其中,碱性电解水制氢已商业化应用多年,质子交换膜制氢产品纯度高、设备体积小、重量轻,固体氧化物制氢用电效率高、燃料费用低。

6.1.2高效低成本储运氢

目前,氢气主要以自产自用的方式大规模投入使用,欧美炼厂氢气主要来源于专业气体生产商。长距离输送时,管道输氢具有很强的竞争力,但全球输氢管道总长不超过5000km。美国拥有2500km的输氢管道,空气产品公司在美国墨西哥湾地区管道输运氢气量超过4000万m3/d。中国目前仅有100km输氢管道,最长的两条是中国石化巴陵石化—长岭炼化42km输氢管线和河南济源—洛阳吉利24km输氢管线。随着氢能产业发展,大宗氢气跨境贸易的发展潜力巨大。

6.1.3加氢站建设

氢燃料电池汽车运行成本高的主要原因是加氢站基础设施尚处在建设初期,各国都在加快加氢站网络建设。截至2019年底,全球建成投用的加氢站共计432座,约30%为液氢储运加氢站,主要分布于日本和美国,中国现主要以高压氢气站为主,欧洲大多数加氢站则采用电解水方式制氢。美国供应氢燃料电池汽车的单个加氢站数量最多,中国加氢站主要为公共汽车等大型车辆提供加氢服务,日本虽然加氢站数量全球第一,但氢气加注量远低于中美两国。2019年,美国、中国、日本的氢气加注量分别为6000t、2500t、200t。

6.1.4低铂/无铂燃料电池

车用燃料电池主要是质子交换膜燃料电池。经过全球范围内近10年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、功率密度、低温启动等方面已取得突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。氢燃料电池催化剂以Pt/C催化剂为主,目前铂用量保持在0.3~0.5g/kW的水平,降低铂用量并寻求廉价替代催化剂是发展目标,预计铂用量可降至0.1g/kW。

6.1.5燃料电池和氢能标准

氢能产业链长、技术门槛高,标准化工作有利于促进技术的国际应用和推广,提升产品质量。环保、经济、安全、高效运行均离不开标准化。ISO/TC197是主要负责氢能安全性、加氢站、氢燃料等重要领域的标准化工作,已发布标准18项。IEC/TC105主要负责燃料电池及其应用相关的国际标准制定,涉及燃料电池发电系统、交通工具用燃料电池等,已发布标准14项。中国已分别发布氢能、燃料电池标准19项、30项。

6.2氢能领域重点研发技术

6.2.1氢能绿色制取与规模转存体系

6.2.1.1低成本PEM 水电解制氢电堆关键材料制备技术

针对关键材料制备规模小、单位成本高等制约PEM 水电解制氢应用和发展的问题,开展低成本电解水制氢用关键材料设计与批量化制备技术研究,具体内容包括:研究新型低铱(Ir)基/非Ir 基催化剂的设计、合成与高一致性批量化制备工艺;研究高电导率、高强度、高稳定性的离子交换树脂及其增强薄膜的设计与制备技术;研究低成本大面积膜电极涂布及成型工艺;研制适于连续工业化生产的质子膜及膜电极制备装备。

6.2.1.2电解制氢加二氧化碳 制甲醇工程技术及中试装备开发

针对大规模氢气加二氧化碳 实现碳减排的产业化发展需要,研发电解制氢加二氧化碳制甲醇工程技术与中试装备,具体内容包括:构筑用于二氧化碳 高效催化剂体系;研究氢气 和二氧化碳 在催化剂表面的吸附与活化、失效规律以及中间物种的形成和变迁规律;研究粘结剂和催化剂成型方式、催化剂强度及孔结构优化技术;开发工业化规模的换热优化新型反应器及工艺;开发工程化甲醇/水分离关键技术;开发氢气加二氧化碳 制甲醇成套工艺包,实现十万吨级中试。

6.2.1.3电解制氢-低温低压合成氨关键技术及应用

针对发展可再生能源与低温低压合成氨互补融合新路径,开展电解制氢-温和条件合成氨关键技术及应用,具体内容包括:探索近常压氢气和氮气合成氨新机制,研发低温低压高效合成氨的催化新材料和副反应的抑制新方法,阐明N≡N 键活化和N-H 键形成的催化机理;研究高性能热化学合成氨催化剂及批量制备技术;构建可再生能源电解水制氢-低温低压热化学合成氨的模拟仿真平台,开发互补融合系统的成套新技术;设计并建成万吨级可再生能源制氢-低温低压热化学合成氨技术的验证装置。

6.2.2 氢能安全存储与快速输配体系

6.2.2.1高密度储氢材料及其可逆吸/放氢技术

针对高密度储氢材料的应用需求,研发具有高质量储氢量的可逆储氢材料、批量制备工艺以及示范储氢系统,具体内容包括:高密度储氢材料的设计和制备;高密度储氢材料吸/放氢热力学和动力学;高密度储氢材料的吸/放氢速率控制;高密度储氢材料循环性能的衰减机制和稳定化方案;以高密度储氢材料为工质进一步研制示范储氢系统,以及释放氢气中杂质的种类、含量及抑制方法等。

6.2.3氢能便捷改质与高效动力系统

6.2.3.1跨温区新型全氟质子膜研究

针对燃料电池快速冷启动和系统简化需求,设计具有跨温区工作能力的全氟质子聚合物结构,突破其单体合成、聚合、成膜及工程化制造技术,包括:兼具低温质子传导能力和高温稳定性的离子聚合物结构设计及多元协同质子传导机理;全氟离子功能单体的合成及其聚合技术;宽服役温度、长寿命全氟离子聚合物与增强体的高效复合结构,新型质子交换膜成膜工艺及其工程化制造技术;多元复合全氟质子膜在燃料电池中的应用研究。

6.2.3.2电站用高效长寿命膜电极技术

针对固定式电站对燃料电池长寿命和高效率的应用需求,开展发电用燃料电池膜电极设计、制备及寿命关键技术研究,具体内容包括:膜电极关键材料催化剂、质子交换膜、扩散层在发电工况下的衰减规律与结构强化技术,提升膜电极寿命和抗CO 能力;突破电站用膜电极催化层低极化和扩散层高传质技术,降低催化剂用量、提升电池能量转化效率和功率密度;突破膜电极高可靠性一次成型封装结构及其工程化制备技术,提升膜电极产能、批量制备的一致性和可靠性。