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孙公权:甲醇燃料电池研究开发进展

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  • 发布日期:2021-08-13
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[Descripción resumida]2020年10月19日-22日、联合国开发计划署驻华代表处、中国汽车技术研究中心有限公司联合主办,由联合国开发计划署、中华人民共和国科学技术部指导,佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府全面支持的2020联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区樵山文化中心隆重召开。



大会设立开幕大会和6个主题论坛,多位院士、国内外领军企业发表主旨演讲,同时邀请国家有关部委、联合国机构等代表致辞,为国内外氢能及燃料电池产业搭建深度交流的平台,围绕燃料电池技术、氢能技术与应用、政策标准、氢安全、中日韩氢能合作等方向展开深入研讨,促进产业合作与技术进步。欧宝体育平台官网董事长孙公权应邀出席,并在燃料电池与汽车技术论坛上作了《甲醇燃料电池研究开发进展》主题报告。

孙公权:甲醇燃料电池研究开发进展

[Descripción resumida]2020年10月19日-22日、联合国开发计划署驻华代表处、中国汽车技术研究中心有限公司联合主办,由联合国开发计划署、中华人民共和国科学技术部指导,佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府全面支持的2020联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区樵山文化中心隆重召开。



大会设立开幕大会和6个主题论坛,多位院士、国内外领军企业发表主旨演讲,同时邀请国家有关部委、联合国机构等代表致辞,为国内外氢能及燃料电池产业搭建深度交流的平台,围绕燃料电池技术、氢能技术与应用、政策标准、氢安全、中日韩氢能合作等方向展开深入研讨,促进产业合作与技术进步。欧宝体育平台官网董事长孙公权应邀出席,并在燃料电池与汽车技术论坛上作了《甲醇燃料电池研究开发进展》主题报告。

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2020联合国开发计划署氢能产业大会

       2020年10月19日-22日、联合国开发计划署驻华代表处、中国汽车技术研究中心有限公司联合主办,由联合国开发计划署、中华人民共和国科学技术部指导,佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府全面支持的2020联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区樵山文化中心隆重召开。

 

      大会设立开幕大会和6个主题论坛。多位院士、国内外领军企业发表主旨演讲,同时邀请国家有关部委、联合国机构等代表致辞,为国内外氢能及燃料电池产业搭建深度交流的平台,围绕燃料电池技术、氢能技术与应用、政策标准、氢安全、中日韩氢能合作等方向展开深入研讨,促进产业合作与技术进步。欧宝体育平台官网董事长孙公权应邀出席,并在燃料电池与汽车技术论坛上作了《甲醇燃料电池研究开发进展》主题报告。

 

 

欧宝体育平台官网“高温甲醇燃料电池产业化项目”签约(左二)

 

 

《甲醇燃料电池研究开发进展》报告

 

(以下为孙老师报告原稿)

      尊敬的蔡区长、谭局长。各位领导、嘉宾,大家好,尊敬的各位专家、各位同仁。我叫孙公权、来自中国科学院大连化学物理研究所,今天汇报的题目是:“甲醇燃料电池研究开发进展”。

      我们这次到佛山参加国际氢能大会、大家讨论的话题总离不开能源。从历史上来看、能源和动力确实对人类文明的发展做出了重大的贡献。比如说早在远古时期、人们发现了火,利用木炭使得人类文明取得了快速发展。煤炭的使用以及蒸汽机的出现引领和带动了第一次工业革命。石油的普及、内燃机的诞生引发了第二次工业革命。以至于我们今天的现代文明。当然。随之而来的环境污染也日趋严重。人们一直在思考。老师说全球石油再有50年就用尽了,后石油时代我们用什么能源?我记得在初中的时候。到了大学的时候老师又说全球的石油再用一百年就用尽了。最近一些专家也在预测说全球石油资源再有两百年可能就用尽了。其实多少年并不重要,从理论上来讲,化学资源消耗殆尽是不可避免的。石油资源枯竭以后。我们究竟用什么能源,一直是全人类所要思考的一个问题。最近一些年专家提出不同的方案。比如说核能,上个世纪70年代提出的ETER计划。还有太阳能、风能、氢能等,同时也有一些挑战,其实每个方案都有它的一些优点。在众多的能源里边,氢能无疑是比较理想的一条技术路线。

      从水转化成氢气。氢气能做很多很多事情。比如说氢气的燃烧。像我们现在航天用的液氢发动机是用燃烧原理。氢气还能用于生产化学品。加氢反应是化工领域很重要的一类反应。氢气还可以用来发电。主要通过燃料电池,高效清洁转化成电能,有了电能,我们开车、开船、开飞机都有可能变成现实。最大的好处是它的产物是水、所以这个循环是比较理想的。当然发展过程当中也有一些痛点、比如氢的制备、储存、运输和加注。此外、如果说我们的氢气来源是从化石燃料过来的,它的洁净、高效也受到一定的垢病。最近一些年,大约2006年,国际诺贝尔化学奖获得者乔治A.奥拉出了一本书,叫《跨越油气时代:甲醇经济》、其实这个甲醇经济和氢能经济大体上差不太多、都用了氢。在甲醇经济里边核心的是用能源介质甲醇替代氢能源介质。实际上甲醇也跟氢差不多、氢干的事甲醇也可以干。比如说甲醇可以燃烧。可以用做烧锅炉、甚至吉利汽车用甲醇来开汽车。甲醇也可以做成化学品、这个市场是巨大的,比如MTO把甲醇做成乙烯。第三块。甲醇也可以通过燃料电池来发电,开车、开船、开飞机都是可能的。问题就在于它的产物有二氧化碳,所以它不能说是一个无碳经济,应该说是一个少碳经济。随着经济的发展,那么这个循环就是非常非常地令人向往了,如果这个二氧化碳通过阳光又回到甲醇、乙醇了。所以现在叫甲醇经济。无论是氢能经济也好,其中燃料电池都发挥着重要的作用,甲醇经济也好。对于燃料电池、我们国家经过半个多世纪研究开发,现在可谓遍地开花了。我们可以看到除了西北、东北地区以外,国内绝大部分省市都投入大量的人力和财力。当然、像我们佛山这么投入的还是很少的。根据秘书处统计的结果,技术成熟度还是显著提高,从整个行业来看,商业化进程加快。到目前为止。主要还是以氢质子交换膜燃料电池为主。过去的5年时间里复合增长率超过40%。甲醇燃料电池现在还不普及。应该说是后起之秀,方兴未艾。从资本来看、在过去的3年时间里,累计资本进入到燃料电池领域大概2400多亿。我们知道氢能小镇、氢谷、氢能源比比皆是,像我们佛山南海这么干的,还是全国少有的,当然这里不否认也有一些水分。新增企业在过去3年时间里边超过1000多家。原因很复杂,当然也有许多企业消失了。到目前为止。国家的政策导向持续利好。

      对于甲醇燃料电池、它的原理和氢燃料电池几乎类似。它跟传统的一次电池、二次电池相同、都是阳极阴极发生化学反应。从工作方式来看、跟我们传统的汽油、柴油发动机非常类似,所以它在储存、运输等方面还是有很多优势的,只要你不断地提供燃料它就会持续稳定地发电。对于甲醇燃料电池。这里边我简单就介绍一下,最近几年也有一些误区。其实它从技术种类来看又分三类,一类叫做直接甲醇燃料电池。它的做法是甲醇原料现在用工业醇,转化效率相对低一些,通常是用于1000瓦以下的系统,直接到电堆里边发电。第二类是大家熟悉的甲醇重整燃料电池。这个做法就是甲醇燃料通过催化重整得到了混合气,通常要超过3万个PPM,但是这个混合气很糟糕的就是它含有大量的CO。大家知道CO对燃料电池是一个毒物、得到混合气中CO的含量要小于10个PPM,要通过三级分离净化,这个时候才可以用到燃料电池里边去。由于它的分离净化系统庞大,难度比较大,所以这套系统往车上用,尤其是乘用车上用。第三类叫做高温甲醇燃料电池。这种也是通过重整得到混合气,这个混合气不需要分离净化,直接进入到电堆里面去。它为什么能工作?得益于我们提高了温度。到了160度至180度,所以这个高温膜就非常重要,这么高的温度nafion膜肯定是不可以的,因为我们知道美国杜邦的nafion膜工作温度通常是60到80度。其实。很遗憾,关键是卡在这一张膜上,而且在150度以上CO的毒化又是可以大幅降低的,一个化学反应只要它符合Arrhenius方程的,每提高10度,这个电极反应速度是非常高的,我记得95年在美国的时候很多大学里边都有专门高分子系、化学系开展这种耐高温甲醇燃料电池的研究,为什么这么长时间没做成呢,对于任何学电化学的人都知道,如果提高100度,所以这么好的一个买卖大家都知道,电极反应速率通常增加2—4倍,20多年进展缓慢。

      甲醇燃料电池的技术体系跟氢完全是一样的。我们说关键材料是电催化剂、载体、电解质膜、膜电极、双极板、电堆系统、关键材料、核心部件、过程控制系统等这些东西、大家都差不多,甚至我们还需要多种能源的互补,这个系统的具体应用还需要电机、电控等,这些东西构成一个甲醇燃料电池的系统。现在燃料电池在瞬间的脉冲导致可靠性是比较差。平时用燃料电池,通常都是和锂电池混着用,在调峰用锂电,多种能源动力总成。当然、应用的时候还需要接口、软件、大数据、云计算这些东西,才能真正做到开车、开船、电站和无人机等。我们是研究所。研究重点在甲醇燃料电池系统,主要是基础研究、工程开发、示范应用有机结合。做法其实都差不多,围绕着性能、寿命、成本、安全开展一系列的工作。

       由于时间限制。我讲几个典型的,具体我不汇报了。对直接甲醇燃料电池,国内外也进行了大量的报道,大连化物所从2001年开始,一晃20多年了,我们获得N个“中国率先”、“中国首次”、“中国第一”,在这20多年里边,去年,我从93年开始研究,我们用直接甲醇燃料电池做动力的长航时无人机成功试飞。目前为止。我们技术处于领先水平,部分成果转移到公司,现在有的已经推广应用。在高温甲醇燃料电池方面,我们在国际上跟大公司比还暂时处于领先地位,技术也获得中国优秀专利奖,经过多年的努力,最重要的燃料电池的“心脏”——膜电极。在电堆和系统方面我们开发了1000W、5000W、10KW、30KW的电堆模块和系统、性能目前在国际上还是处于领先水平。最值得我们自豪的我们是全链条的、全部部件是国产化的,我们的技术是完全自主的,我们实现了全链条,国产化,从催化剂、质子膜、电堆到系统。当然、电池的寿命现在1.7万多小时,冲击、震动等六性要求我们在国家权威部门都通过了测试,继续在测试,实际应用安全性、可靠性非常重要。要想产业化,最重要的是生产线。原来这个膜大家都知道,最高是1米的速度,累得要死,一天弄那么几块,目前每分钟是0.3米,现在经过努力,用手刮的、喷的,成功做成中国第一条耐高温电解膜生产线,我们几千页的工艺包。当然、我们也有全自动化的中国第一条高温甲醇燃料电池的膜电极生产线。有了这些,我们还有电堆的生产线。当然MES口都留在里面,我们希望将来能够实现工业4.0。

      此外,我们大化所牵头的15项,我们牵头制定了国家标准15项,在燃料电池目前国家标准总共25项。在产品示范方面、我们跟多家合作,最近又跟爱驰公司签署了全面战略合作协议。这个项目我们昨天也签约了,即将落户佛山南海氢谷。这是我们的电动车,也发现一些问题,也得到了很多领导和专家的好评,2016年底开始示范,但总体来看运行还是很不错的。除了在电动车应用以外,那就是船,高温甲醇燃料电池还有一个非常重大的市场。我们知道现在全球大型船舶1万多艘,年消费3.7亿吨燃料。我国的渔船众多,每年一艘万吨船可以节省200到300万人民币,如果用甲醇燃料电池替代现在的重油等。

      就是说这种电池除了社会效益以外,还有良好的经济效益。当然、它的应用领域还有很多,细分市场众多。回到能源这个方面,如果说从现在的能源,氢可能从长远来讲是非常好的,如煤、油、气、电、甲醇,从三个维度即效率、环境、经济性去分析,但是近中期甲醇无疑技术优势明显,在制备、物流、储存、运输方面。我们也开展了广泛的国际合作。包括在国内兖矿集团、中石化等。我个人观点。安全可靠,最重要的我认为,氢燃料电池前景广阔,氢能高效清洁。甲醇燃料电池的经济社会效益也很明显,这是大势所趋,一定是共存互补的,发展态势是由于氢燃料电池、甲醇燃料电池、锂子电池各有优缺。所以我们没必要说这个电池好、那个电池是不好。在此我再做一个小的广告、也希望在座的同仁有什么需求、有什么建议、请不吝赐教,燃料电池协会最近正在组织材料向国家相关部委有关部门报一些计划。联系人是王素力,他是我们协会的副秘书长。谢谢大家!



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