氢能与燃料电池应用现状及发展趋势吴朝玲教授/博导材料科学与工程学院四川大学新能源与低碳技术研究院后续能源材料与器件教育部工程研究中心2月28日碳中和科普大会3月1日碳资产管理论坛3月2日ESG和绿色金融论坛3月3日清洁能源+储能论坛本文稿知识产权属于作者及其工作单位，在作者授权下仅供“2022零碳创新周”会议观众学习交流之用，请勿商用。2022零碳创新周是全球零碳联盟和ESCOMEVENTS主办。扫码关注全球零碳联盟四川大学“氢能源材料与系统集成”工科特色团队第2页严义刚（团队负责人）储氢系统陈云贵战略方向把控吴朝玲储氢材料鲍泽威换热设计朱丁动力电池贺明智系统集成控制特聘研究员低碳院二级教授低碳院教授电气工程学院助理研究员低碳院教授材料学院副教授化工学院提纲•氢能战略与政策•制氢•储运氢•燃料电池•自由讨论第3页我国2030年碳达峰目标第4页国务院明确2030年碳达峰目标•非化石能源消费比重达到25%左右•单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上2021年10月24日发布的2030年前碳达峰行动方案可再生能源波动性第5页•发电不稳定•发电与用电不匹配•电网消纳能力有限HydrogeniousLOHCTechnologies-Handlinghydrogenmadeeasy•中国弃光弃风现象严重•可再生能源资源分布不均衡储能第6页氢能与氢经济第7页SUNENERGYENERGY用氢39kWh/kg2H2O→2H2+O2储氢M+½H2→MH72-90%85%50%2H2+O2→2H2O制氢可再生能源制氢氢能社会第8页一个以氢能和电能为主、结合多种能源组成的清洁能源社会https://global.toyota/en/sustainability/esg/challenge2050/challenge2/lca-and-eco-actions/氢的特点第9页清洁、零排放•H2+O2→H2O气态、密度最小•密度：0.09kg/m3（汽油：800kg/m3)氢1H清clean轻light宇宙最丰富元素•氢占宇宙总质量的3/4储运困难来源丰富•燃值：143MJ/kg（汽油：44MJ/kg）燃烧值最高燃烧极限宽能量转换效率高•燃料电池：50~60%（内燃机：35%）•4.0%~75.6%（体积浓度）（天然气：5~15%）高效率高能量一定危险性氢氧焰~3000℃PEMFC中俄签署氢能经济双边合作协议韩国HydrogenFusionAllianceBureau组织发表了关于韩国建立氢能经济社会的方案日本发布“氢能源基本战略”，主要目标包括2030年实现氢能源发电商用化，以削减碳排放并提高能源自给率澳大利亚宣布“南澳大利亚氢气路线图”，加速向清洁、安全、可持续的氢气生产、消费者和出口国转型中国发布《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出要系统推进燃料电池汽车研发与产业化印度实施“第十二期RD&D”计划，主要为继续支持氢能生产、储氢和燃料电池项目，支持固定式发电、燃料电池汽车示范项目欧盟将启动Horizon2020计划，计划中氢和燃料电池的预算达到220亿欧元德国启动多个“H2Mobility”计划，拟建全国性的加氢站网络加拿大对废弃燃料发电系统及替代能源系统包括燃料电池的设备购买给予一定补贴美国燃料电池和氢能源协会（FCHEA）发布《美国氢经济路线图》，提出到2050年，氢能将占据美国能源需求的14％。巴西实施PaCOS4年期计划，总投资额达750万美元用于开发将乙醇转换成碳氢化合物固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极打造低碳清洁氢能产业成为世界共识，全球已有16个主要国家发布国家氢能战略，11个国家正在制定氢经济-国内外发展态势1011中国各省氢能战略：氢经济-国内形势《重庆市氢燃料电池汽车产业发展指导意见》重庆《新能源与智能汽车产业2020年度工作要点》四川《2020年常熟氢燃料电池汽车产业发展工作要点》江苏《浙江省促进汽车消费的若干意见(2020—2022年)》浙江《上海市推进新型基础设施建设行动方案（2020-2022年）》上海《关于山东省2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年计划草案的报告》山东《天津市氢能产业发展行动方案（2020-2022年）》天津新乡市发布《氢能与燃料电池产业发展规划》河南《铜陵市氢能与燃料电池产业发展规划》安徽《东莞市人民政府办公室关于印发东莞市完善促进消费体制机制实施方案的通知》《茂名市氢能产业发展规划（征求意见稿）》《佛山市南海区氢能产业发展规划(2020-2035年)》《关于粤港澳大湾区氢能产业先行先试力争上升为国家战略的提案》《佛山市燃料电池汽车推广应用地方财政补贴资金管理办法（征求公众意见稿）》《广州市氢能产业发展规划》（2019-2030年）广东《江西省新能源产业高质量跨越式发展行动方案》江西《河北省2020年氢能产业重点项目清单（第一批）》河北《氢能产业发展指导意见》宁夏氢能产业发展历程第12页氢能：我国重大战略新兴产业◼国发〔2016〕67号将氢列为国家战略性新兴产业201620202019◼氢气作为能源首次被写入《政府工作报告》2035◼国家统计局首次将氢气纳入能源统计◼预计：燃料电池汽车达100万辆行业规模达5万亿RMB•清洁、零排放•能量转换效率高50~60%（内燃机：35%）•来源丰富《中国氢能产业发展报告2020》2025◼预计：燃料电池汽车达10万辆行业规模达1万亿RMB100万辆燃料电池汽车：可减少CO25.1亿吨/年。我国氢能战略第13页2019年氢能在2030年前碳达峰的重要作用第14页根据10月24日国务院发布的2030年前碳达峰行动方案：加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。经贸石化交通钢铁人才培养基础设施标准建设示范应用开展氢冶金拓展富氢原料进口来源氢能汽车等新能源车加氢站等基础设施建设氢能等学科建设和人才培养建立健全氢的制、储、输、用标准低成本可再生能源制氢、加快氢能技术研发和示范应用推动氢能等领域科研合作和技术交流氢能产业链第15页制氢存储运输燃料电池应用氯碱厂副产氢化工厂副产氢煤制氢生物制氢天然气制氢甲醇制氢电解制氢光触媒制氢高压储氢液氢储氢金属氢化物储氢吸附储氢有机液态化合物储氢氢气运输加氢站建设加压设备加注设备催化剂质子交换膜双极板碳纸AC/DC系统控制与集成大规模储能燃料电池自行车燃料电池汽车燃料电池轨道交通备用电源热电联供离网发电中游：储存运输上游：制氢下游：燃料电池及应用氢产业链长、覆盖面广，涉及环节和细分领域众多提纲•氢能战略与政策•制氢•储运氢•燃料电池•自由讨论第16页几种典型的制氢方法第17页•1化石燃料制氢•2生物质制氢•3电解水制氢•4热化学制氢•5光化学制氢•6光生物制氢氢源分类第18页清洁、低成本的制氢技术（目标：20~30元/公斤氢）工信部原部长李毅中：灰氢不可取，蓝氢可以用，废氢可回收，绿氢是方向灰氢化石能源（煤、石油、天然气）制氢生产1公斤的氢，要伴生5.5公斤到11公斤的二氧化碳废氢工业副产氢气的回收提纯利用，包括焦炉气和氯碱厂尾气成本低，回收成本约1元/方氢蓝氢化石能源制氢，辅以碳捕捉和封存是一种中间过渡阶段的技术绿氢电解水制氢首先必须利用清洁电源，特别是弃光、弃风、弃水电其次要解决耗电高的问题3电解水制氢第19页成熟的电解制氢技术碱性电解槽固体聚合物电解槽（SPE）开发中的电解制氢技术SOEC分三类阴极反应：4e+4H2O=2H2+4OH-阳极反应：4OH-=O2+2H2O+4e3.1碱性电解水制氢技术第20页碱性电解水制氢是一项成熟且应用广泛的技术电极隔膜电解液电解槽组成：雷尼镍聚砜替代石棉20–40%氢氧化钾溶液3.2固体聚合物电解槽第21页碱性溶液/酸性溶液固态电解质可使用的电解质材料是离子交换膜(SPE,1967,GE美国通用电气公司)被替代优点：效率高、能耗低、电解质稳定、安全可靠以及装置体积小、重量轻、寿命长氢气氧气离子交换膜22244HOeOH+−→++2424eHH−++→氢气气泡氧气气泡缺点：价格昂贵、催化剂易毒化第22页2022冬奥会使用的1000标方/小时电解槽（718，左）和整流室（英特利，右）国内电解槽供应商：中船718，考克利尔，大陆，中电，隆基国内电解槽整流器供应商：湖北英特利(专业电源市场占有率>70%)3.2固体聚合物电解槽3.3固体氧化物电解池(SOEC)O2O2O2O2-H2O2-H2OH2OH2OH2H2e-e-e-e-e-e-e-e-electricityH2H2OO2H2O+2e-H2+O2-cathodeanode如果向电池的燃料极提供水，并向电池提供电能，SOC就可以实现SOFC的逆过程，即将水电解成氢气和氧气。此时的SOC称为固体氧化物电解池(solidoxideelectrolysiscell,SOEC).三种电解水制氢技术的简要对比第24页电解水制氢——碱性电解——固体聚合物电解（SPE）——固体氧化物电解（SOEC）制氢系统类型温度（℃）电解效率（%）碱性~8051~62SPE~8074~79SOEC~85090~100电解水制氢（以四川为例）背景：2019年四川水电装机总容量7720万千瓦，2019年四川弃水电量92亿度电第25页http://power.in-en.com/html/power-2309608.shtml•如果弃水电全部用来制氢，按照的现有工业水平：5度电制1方氢，共可制取1.67亿公斤氢。92亿度电5度电/方氢=18.4亿方氢=1.67亿公斤氢•汽车平均每年里程1.2万公里，燃料电池汽车100公里耗氢1公斤，每辆车每年消耗120公斤氢。四川每年弃水电可满足139万辆燃料电池汽车运行1年。1.67亿公斤氢120公斤氢/辆=0.0139亿=139万辆车•根据预测，我国2030年将有100万辆燃料电池汽车。四川大学制氢技术第26页大功率电解水制氢技术及工程应用⚫依据具有自主知识产权的催化剂技术，自主研发了从1kW至百MW级的电解制氢关键装备，打造了适应全球各地标准的供电-制氢方案。⚫与湖北英特利电气有限公司合作，设计出单套10kW-55MW的功率电气系统，可实现单套10000m3/h的制氢能力，目前公开报道的最大产能单槽系统，技术已在台积电等企业得到应用；光伏直接制氢技术5MW系统已在宁夏宝丰开展示范应用。⚫为海内外典型制氢项目提供了核心技术支撑；形成了具有核心竞争力的技术创新和产业化团队，使我国电解制氢的供电装备跻身国际先进水平。贺明智，教授/博导四川大学电气工程学院国务院政府特殊津贴专家百千万工程北京市人选北京科技新星四川省“千人计划”专家提纲•氢能战略与政策•制氢•储运氢•燃料电池•应用•自由讨论第27页氢储运商业化模式第28页压缩氢气槽车用户液氢槽车压缩氢气管道输氢制氢液氢船几种典型储氢方式第29页固态储氢高压气态储氢液态储氢低压，体积小安全性高技术成熟充装较快压力低，充装快重量储氢密度高重量储氢密度低（较重）安全性较低成本高安全性较低成本很高优点缺点特点原子常温，<10MPa分子常温，35–70MPa分子-253℃，1bar制氢存储运输燃料电池应用行业共性问题第30页氢能行业共性问题：氢的安全高效储运氢气密度低：0.09kg/m3（汽油：800kg/m3)槽车氢燃料电池车辆高压加氢站以35-70MPa高压储氢技术为基础的商业模式氢能产业的“卡脖子”问题⚫压缩机：依赖进口、性能有待提升，关键元器件国产化率低⚫高压储氢瓶：关键原材料碳纤维依赖进口⚫建设成本高，安全性不足氢能产业发展的瓶颈和痛点第31页从产业角度来看，加氢站基础设施建设是氢能产业发展的最大痛点北美75座欧洲200座亚洲275座，日本142中国73韩国602020年底全球553座中国加氢站布局https://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2401289.shtml加氢站建设瓶颈一：成本第32页建设内容/投资额（万元）35MPa35MPa/70MPa主要设备15003200土建安装500650合计20003850日销售(m3)原料成本压缩成本人工成本折旧其他税费总成本10002.680.220.4013.710.150.3717.5430002.680.210.354.570.140.378.3260002.680.200.302.290.130.385.9780002.680.190.251.710.120.385.33100002.680.180.201.370.110.384.92加氢站建设瓶颈二：安全性第33页2019年6月10日挪威加氢站爆炸丰田、现代停售！2019年6月23日,韩国一工厂氢气罐爆炸2人死亡！氢气罐瞬间飞出上百米！2020年美国北卡州加氢站爆炸事故，直接导致附近60处房屋受损2019年6月1日，美国空气化工产品公司的一处化工厂储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸和火灾2019-2020年高压氢气爆炸事故液氢第34页（国内：液氢主要用于国防等特殊用途）218,000L大型液氢储罐（15吨氢）美国：NASAStennisSpaceCenter固态储氢第35页Z.Chen,Z.Ma,J.Zheng,X.Li,E.Akiba,H.-W.Li,ChineseJournalofChemicalEngineering2021,29,1.Solidhydrogen≤5MPa有研低压固态合金AB2储氢装置储氢压力：5MPa系统体积储氢密度：22.2kgH2/m3系统体积储氢密度：7.3kgH2/m335MPaH2固态储氢——交通运输第36页公交车冷链物流车加氢站热管理系统•无需建设高压加氢站，低压固态加氢站选址受限小•无压缩机和站用储气瓶组，成本大幅下降、安全性大幅上升20MPa管束车泄气柱加氢机公交车<5MPa固态储氢——跨季储能第37页屋顶太阳能发电-电解水制氢-金属固态储氢•中长期氢储存•电解水产氢率40Nm3/h•19个固态储氢单元，38个固态储氢罐•储量100kg氢气JSWTechnicalReview，2018，No.20:1-14太阳能发电-电解水制氢-金属固态储氢•跨季储氢（夏-冬），9个固态储氢罐•100kg氢气储量•系统尺寸3.11.82.0m•同样储氢量压缩储氢系统需6套6m长管固态储氢——小型移动工具第38页台湾亚太燃料电池公司APFCT摩托车，售价3000美金，80km行程，低压储氢罐(1MPa，1000NL氢，2个罐),7-Eleven换罐30新台币，台湾南部海滨度假胜地垦丁和台北市等地示范运行。江苏安泰创明助力車FC增程轻型車輛：機車，拖板車，高爾夫球車等运营模式V-Ti-Cr-Fe四元合金（四川大学）第39页FeV80•我国钒资源总量占世界的45%•四川钒资源总量占全国的63%•我国钛资源总量占世界的38%•四川钛资源总量占全国的94%TiRT,5MPa:~3.9wt%无需活化快速吸氢0℃吸氢60℃放氢:>2.5wt%在合金类储氢材料中，综合性能优，性价比高成果转化第40页已完成科技成果转化国家发明专利合作单位：上市公司，厚普清洁能源股份有限公司提纲•氢能战略与政策•制氢•储运氢•燃料电池•自由讨论第41页交通工具的变化：燃油车→燃料电池汽车第42页品牌上市氢气/kg续航/km销售与租赁现代Tucsonix3520135.64594$499/月韩国、加州、欧洲及温哥华租赁丰田Mirai20155.0502$58500(~40万元人民币）截止2021.1，全球保有量12467辆。考虑政府补贴，26.4万元人民币。本田Clarity20165.46589$369/月日本、南加州和欧洲租赁三款商业化的燃料电池轿车燃料电池概述第43页2H2+O2=2H2O2H2-4e-=4H+O2+4e-+4H+=2H2O阳极（负极）阴极（正极）燃料电池的分类第44页低温型碱性燃料电池（AFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）[直接甲醇燃料电池（DMFC）]中温型磷酸燃料电池（PAFC）高温型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固态氧化物燃料电池（SOFC）工作温度碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)固态氧化物燃料电池（SOFC）电解质：其他分类（燃料类型）：直接甲醇燃料电池（DMFC）微生物燃料电池（MFC）燃料电池概述第45页燃料电池的应用——便携式设备第46页燃料电池的应用——交通领域第47页丰田Mirai（2014）丰田第二代Mirai（2020）奔驰GLCF-CELL(2017)本田FCVClarity(2016)现代NEXO(2018)燃料电池的应用——家庭热电联产第48页燃料电池的应用——家庭热电联产第49页燃料电池的应用——固定式储能第50页营创三征(营口)精细化工氯碱工业副产氢2MWPEMFC发电站韩国斗山集团年发电量50MW石化副产氢燃料电池发电站，设置440千瓦时磷酸燃料电池(PAFC)燃料电池的应用——军事领域第51页丰田Mirai燃料电池汽车第52页加一次氢5.6kg，跑1350km吉尼斯世界纪录！！https://www.motor1.com/news/539674/toyota-mirai-world-record-range/•燃油车：19款2.0L凯美瑞，口碑油耗7.5L，油箱60L容积，续航800km。•电动车：TeslamodelY，容量77kWh，标称续航523km丰田Mirai燃料电池汽车第53页第一代第二代电堆功率/kW114128功率密度/kW/L3.15.4电堆重量/kg97FC+NiMH75FC+LIB续航/km650850（最高1350）里程km/kgH2130150（最高240）储氢系统70MPa122L,5kgH270MPa141L,5.6kgH2FC小型化！低成本化！FC高效率！平均58%最高65%Mirai第二代电堆一门慕课，一套专著第54页中国大学MOOC网https://www.icourse163.org/course/SCU-1207120810欢迎交流与合作！第55页