2021聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署氫能產(chǎn)業(yè)大會(huì)于12月8日-10日在廣東佛山市南海區(qū)西樵山文化中心召開。該大會(huì)由國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局指導(dǎo)，聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署、中國國際經(jīng)濟(jì)交流中心聯(lián)合主辦，廣東省發(fā)展和改革委員會(huì)、佛山市人民政府、佛山市南海區(qū)人民政府全面支持。
本次大會(huì)以“共創(chuàng)氫時(shí)代，同繪碳中和”為主題，來自全球組織機(jī)構(gòu)、政府部門、科研院校、氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)企業(yè)的眾多嘉賓共聚一堂，探討在“雙碳”背景下，中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。
在專題論壇中，業(yè)內(nèi)頂級專家對氫能產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了分享。中科嘉鴻（佛山市）新能源科技有限公司董事長孫公權(quán)受邀出席本次大會(huì)，并在仙湖技術(shù)論壇上作了《高溫甲醇燃料電池技術(shù)》主題報(bào)告。
各位領(lǐng)導(dǎo)、專家、同仁，大家好！我叫孫公權(quán)，來自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，也擔(dān)任中科嘉鴻公司董事長。
今天我匯報(bào)的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：首先是國家戰(zhàn)略需求。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國向全世界作出的莊嚴(yán)承諾，也是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革，能源動(dòng)力先行，這是義不容辭的。
從能源安全來看，我們國家石油進(jìn)口總量去年是4.56億噸，對外依存度高達(dá)70.24%，尤其是經(jīng)過霍爾木茲海峽和馬六甲海峽的占總進(jìn)口數(shù)量的70%，因此石油替代和潔凈能源開發(fā)迫在眉睫。
清潔能源有很多種，風(fēng)電今年我國已并網(wǎng)的裝機(jī)容量突破了3億千瓦，連續(xù)12年在全球排名第一；太陽能裝機(jī)容量也超過了2.5億千瓦，增長24%。目前氫能的發(fā)電量還遠(yuǎn)低于這個(gè)值，但氫能有著特殊的戰(zhàn)略意義，氫氣可以燃燒，包括航天發(fā)動(dòng)機(jī)，用液氫液氧，德國把氫氣輸入天然氣管道作為燃料燃燒；氫氣可以制備化學(xué)品，化工反應(yīng)中的加氫反應(yīng)眾多；氫氣可以發(fā)電，發(fā)電意義重大，在陸、海、空、天諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。
實(shí)際上，氫能經(jīng)濟(jì)是上世紀(jì)70年代美國提出，基本想法是水在地球表面的儲量巨大，我們常說“三山六水一分田”。1985年，國際上提出ITER計(jì)劃，其思路是如果能把海水里的氫提取出來，人類的能源問題就解決了。當(dāng)時(shí)的想法是用核聚變。2003年我國參加ITER計(jì)劃談判，2006年正式加入，目前項(xiàng)目取得了很大進(jìn)展。今天氫能的內(nèi)涵更加豐富，氫氣的來源更廣，包括利用太陽能光解水、電解水等等。
燃料電池1839年誕生，在應(yīng)用方面，燃料電池輸出功率從次瓦級到幾十兆瓦，陸、海、空、天都有廣闊的應(yīng)用前景。我們之所以考慮甲醇燃料電池，是因?yàn)樵趲追N主流的電源中，如超級電容器、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，甲醇燃料電池的比能量非常高，可超過1kWh/kg。
燃料電池行業(yè)最近幾年發(fā)展迅速，技術(shù)成熟度明顯提高，商業(yè)化進(jìn)程加快，今天湯老師和很多人都在談產(chǎn)業(yè)化問題。市場方面，目前以低溫氫燃料電池為主，復(fù)合增長率大于40%。甲醇燃料電池是后起之秀，市場份額比較低。過去幾年里，燃料電池的資本投入累計(jì)超過3千億元，新誕生企業(yè)幾千家，尤其是最近幾年國企、央企大批進(jìn)入，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展無疑是有力地推進(jìn)。國家政策持續(xù)利好，燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群目前已有三個(gè)，其中佛山市還是廣東城市群牽頭城市。
在電動(dòng)車領(lǐng)域，在座的可能也有參與國家的幾個(gè)五年計(jì)劃。最近國務(wù)院辦公廳印發(fā)的發(fā)展規(guī)劃賦予“三縱三橫”新的內(nèi)涵，三縱包括純電動(dòng)汽車、插電式的混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車。三橫就是動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電力電子以及新增加的網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)。
傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)相對簡單，而燃料電池鏈條較長。就燃料而言，氣態(tài)燃料有氫氣、氨氣、天然氣，液態(tài)燃料有甲醇、乙醇、燃油等，也有固態(tài)燃料，比如輕質(zhì)金屬鎂、鋁、鋅等。
燃料電池產(chǎn)品開發(fā)包括關(guān)鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成等。智能管理方面，包括電池電控、能源管理、智能互聯(lián)等。最后才能真正應(yīng)用到電動(dòng)車輛、船舶、機(jī)站等。
下面講講甲醇燃料的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性。我們講氫能經(jīng)濟(jì)，大家考慮的都是如何利用氫氣。氫氣常溫下是氣態(tài)，它有很多優(yōu)勢但也有痛點(diǎn)。甲醇常溫下是液態(tài)，除了可以解決氫氣的儲存、運(yùn)輸、加注等痛點(diǎn)之外，其實(shí)還有很多優(yōu)勢。作為儲氫材料，碳?xì)浠衔镏凶詈玫氖羌淄椋羌淄槌叵率菤鈶B(tài)的，碳?xì)滏I斷裂比較困難。作為液態(tài)燃料甲醇的儲氫量是12.5%。國外儲氫材料的儲氫量約為1.4%，而國內(nèi)儲氫材料的儲氫量約為1.2%-1.3%。甲醇、液化天然氣、液氨、液氫等都是液態(tài)燃料，就能量而言，甲醇單位體積的能量密度優(yōu)勢明顯，甚至高于液氫。
甲醇排放問題。甲醇反應(yīng)會(huì)生成二氧化碳。隨著技術(shù)進(jìn)步，二氧化碳捕捉后，通過加氫反應(yīng)可再生甲醇。最近幾年國內(nèi)也在倡導(dǎo)液態(tài)陽光，用綠氫產(chǎn)生碳中性的甲醇燃料。與汽油、柴油相比，甲醇的二氧化碳排放可以降低40%，硫氧化物、氮氧化物、顆粒物排放幾乎為零。
甲醇安全性問題。由這個(gè)表可見，甲醇的安全性明顯優(yōu)于幾種常規(guī)燃料。
甲醇的毒性問題。在水中，甲醇的半致死濃度比其它燃料好得多，其毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油、柴油等等。
我們?yōu)槭裁匆黾状既剂想姵兀绕涫歉邷丶状既剂想姵啬?？我們來看一下，氫能?jīng)濟(jì)現(xiàn)已得到了全球的青睞，其實(shí)如果把氫氣換成甲醇，區(qū)別就是產(chǎn)物有二氧化碳，但隨著二氧化碳捕捉利用等技術(shù)的發(fā)展，這也不是什么大問題。
2006年，諾貝爾獎(jiǎng)得主南加州大學(xué)的George Andrew Olah率先提出甲醇經(jīng)濟(jì)，實(shí)際上，甲醇經(jīng)濟(jì)也是氫能經(jīng)濟(jì)的一部分。
低溫氫燃料電池優(yōu)勢明顯，能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好，其痛點(diǎn)是氫氣的制備、儲運(yùn)、加注比較復(fù)雜，對燃料氣中一氧化碳含量比較敏感，通常小于10ppm。
高溫甲醇燃料電池使用液態(tài)燃料，存儲、攜帶、加注比較方便。提高溫度后，一氧化碳問題幾乎可以忽略，電極反應(yīng)速率倍增。但耐高溫聚合物電解質(zhì)膜材料開發(fā)進(jìn)展緩慢，國際上投入了大量人力財(cái)力，近幾年有所突破。
甲醇燃料電池工作原理與常規(guī)的一次/二次電池相同，能量轉(zhuǎn)化效率高；工作方式與汽油/柴油發(fā)電機(jī)相似，只要不斷提供燃料則可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。甲醇燃料電池主要分為以下三種：一是直接甲醇燃料電池，我們研發(fā)了近三十年，其特點(diǎn)是燃料直接注入電堆，電池結(jié)構(gòu)簡單、使用攜帶方便、電池能量密度較高，但能量轉(zhuǎn)化效率較低；二是甲醇通過催化重整，分離凈化后進(jìn)入低溫PEMFC。由于重整氣中一氧化碳含量高達(dá)幾萬ppm，通常需要多級分離凈化，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。三是高溫甲醇燃料電池，由于耐高溫電解質(zhì)膜的誕生，電池抗一氧化碳能力大幅提升，甲醇燃料重整氣直接通入高溫電堆，省略了分離凈化步驟，電極反應(yīng)速率明顯提高，近年來已成為國際研發(fā)熱點(diǎn)之一。高溫甲醇燃料電池技術(shù)體系與低溫PEMFC類似，包括關(guān)鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成、智能控制，以及多能源組合利用等。
我們開展甲醇燃料電池研究開發(fā)近三十年，從電催化劑、電解質(zhì)膜、膜電極、單雙極板到系統(tǒng)集成、智能控制等，現(xiàn)已完成了電解質(zhì)膜、多孔電極、膜電極、電堆生產(chǎn)線建設(shè)。授權(quán)專利230余件，獲省部級以上獎(jiǎng)9項(xiàng)，其中國家級獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)。
市場應(yīng)用主要有電動(dòng)車動(dòng)力電源，船舶動(dòng)力/輔助電源，小型分散電站等，我們的策略是開發(fā)1、5、10、30kW模塊，基本可覆蓋1-120kW的實(shí)際應(yīng)用。
2016年，我們組裝了第一臺高溫甲醇燃料電池驅(qū)動(dòng)的乘用車，運(yùn)行結(jié)果表明，硫氧化物、氮氧化物近零排放，百公里燃料消耗費(fèi)小于20元人民幣，3輛車在大連試運(yùn)行，受到了專家同行的一致好評。此外，高溫甲醇燃料電池在景區(qū)車、房車、工程指揮車、應(yīng)急電源車等方面應(yīng)用前景廣闊。
在船舶動(dòng)力/輔助電源方面。聯(lián)合國海洋公約的頒布實(shí)施，對海洋環(huán)境要求越來越高。國際航運(yùn)燃油多半采用重油，污染嚴(yán)重。
11月8日，我們研制的高溫甲醇燃料電池游船，在丹灶仙湖下水，動(dòng)力電源為25kW，輔助電源5kW以滿足照明、空調(diào)、熱水等需求。與傳統(tǒng)燃油相比，優(yōu)勢明顯。歡迎在座各位去仙湖親自體驗(yàn)。
在小型分散電站方面，熱-電聯(lián)供的能量轉(zhuǎn)換效率較高，應(yīng)用前景廣闊。
來源：液態(tài)陽光
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