45kCIDkaY6F energy.huanqiu.comarticle新产品/技术推介:甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)/eh6hgvooo/eh74aifvi中氢新能自主研发甲醇重整制氢燃料电池发电系统,集成高温质子交换膜燃料电池电堆、甲醇重整器与能量管理系统等模块,以甲醇水为燃料,通过中高温质子交换膜,降低系统对氢气纯度要求,使甲醇重整产生富氢气体在模块内进行发电。整个反应过程无压力容器,氢气随产随用不储氢,既有噪音低、自动化程度高、小型高效、持续工作能力强等特点,又解决了氢能储运价格高、安全隐患大、基础设施建设投资高昂等瓶颈问题,广泛应用于燃料电池动力系统、移动充电桩系统、分布式能源、移动发电站、通信基站电源、应急发电站、军民融合发电站系统等领域,在物流车、大巴车、公交车、船舶动力电源、冷链物流等应用场景中将产生巨大价值。已实现5kW燃料电池小规模量产,获得“中国首台静默移动发电站MFC30”和工信部第303批“甲醇重整制氢燃料电池物流车”两个首台套项目公示,并不断技术迭代,使碳中和与氢燃料电池耦合形成“核力”,为“绿色甲醇”提供强有力市场支撑,助力我国相关行业、企业和地区更快实现“双碳”目标。动力原料选取的创新性目前,国内市场广泛采用纯氢作为动力原料,解决燃料电池氢源问题。然而处于起步期的氢能产业暂时未能摆脱制氢成本高、供应可靠性不足的瓶颈,在能源界有“能源不可能三角”这一说法,即一种能源品类无法同时做到绿色低碳、安全可靠、低成本。而中国是全球甲醇最大的产能国和消费国,也是全球甲醇产品的定价国,作为最佳的燃料载体,甲醇被誉为“液态阳光”,常温常压处于液态,可实现长期安全稳定的储存,是理想的低成本化学储氢载体,是实现碳减排的重要路径,也是未来构成多种能源互补、多种能源形式并存,满足我国未来能源发展需要的必要条件,或将成为国家战略支撑的全新能源系统。对此,甲醇和甲醇制氢的技术路线和优势便有所体现,甲醇重整制氢燃料电池技术,采用甲醇与水混合溶液作为动力原料,经过重整制取富氢气体导入燃料电池,从而提供氢源,解决“能源不可能三角”瓶颈。环保方面:目前,世界范围内工业用氢以灰氢为主,所对应甲醇制氢路线是灰醇,其可实现劣质煤制备的优质能源作为氢的载体。而绿氢作为深度脱碳,实现“双碳”目标,是最终发展目标,如今大规模部署绿氢的商业案例较少,需长时间逐步实现技术突破、降低成本。将碳捕集和副产氢合成“绿醇”是当前“固碳储氢”的现实方法,可利用碳捕集技术,将城市大循环中捕获的二氧化碳加氢直接制备,使用过程中碳的净排放量为零,由此看来,甲醇和甲醇重整制氢路线亦可做到低成本、绿色低碳,且在增加产品价值、解决清洁能源替代化石液体燃料等问题上也具有长远意义。储运方面:常温甲醇的携氢量为98.8g/L, 而 -253℃液氢为 70.8g/L。在甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)中使用的甲醇水燃料,由质量比54%的工业一级甲醇和46%的去离子水组成,甲醇水的携氢量达105g/L以上,携氢量优于液氢,是更加优质的储能方案;另外,甲醇无需提纯、高压氢气罐、建设加氢站等设施设备,与纯氢相比减少提纯、储存、运输、加注等若干环节,可实现移动、高效现场制氢,氢气随产随用且为常压。 安全方面:甲醇相对传统汽柴油、天然气、LNG/CNG/LPG等,在闪点、燃点、挥发性、爆炸极限、辛烷值抗爆等方面更安全、更可靠,甲醇水的安全性比纯甲醇更高;且常温常压无需压力容器。成本方面优势甲醇重整制氢燃料电池(MFC)与纯氢燃料电池相比成本具有明显优势,每千瓦成本仅0.3元。六大技术创新点1)高活性、高选择性和高稳定性的甲醇重整制氢催化剂甲醇重整催化剂在Cu/ZnO/Al2O3催化剂的基础上,添加第三组分,对催化剂进行改性,从而调节催化反应路径,使得甲醇在重整过程中更容易直接与水结合分解产生氢气,而抑制甲醇的直接裂解,甲醇的单程转化率在95%以上,出口CO能达到0.1%的水平,从而提高甲醇重整制氢系统的催化产氢效率。2)微型高效甲醇重整器通过分析改性重整催化剂的反应条件,设计改进重整器反应的结构,有效地强化传热,提供快速的热量传递和物质传递,从而实现甲醇重整器微型化,缩短重整器的启动时间,提高甲醇重整制氢的产氢效率,最终增强燃料电池的整体发电效率。此外,选择合理的重整温度和甲醇配比可以有效地控制重整混合气CO含量(防止MEA膜电极中毒),微型化的重整器提高了甲醇的重整产氢效率,进而保证平稳发电。3)中高温质子交换膜低温纯氢燃料电池是目前最热、最具有前景的燃料电池技术,在众多应用领域广泛应用。实现商业化应用的燃料电池汽车都采用的是低温燃料电池系统,比如丰田Mirai、本田Clarity。低温纯氢燃料电池使用燃料为纯氢,氢气纯度为≥99.99%,需用高压储氢罐技术储氢,燃料电池使用氢气时须通过一系列的装置对高压氢气降压处理,满足使用需求,同时还需使用空压机、氢气循环泵等“卡脖子”设备,具有对氢气制备、储存、运输和加氢站等基础配套设施要求较高的缺点。甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)则采用改性的磷酸掺杂PBI中高温质子交换膜,降低了系统对氢气纯度的要求,可以直接使用甲醇重整出来的含杂质的氢气,无需加湿、提纯、减压等处理;同时,燃料电池正常工作时水为气态,避免了水热管理,燃料电池总系统的复杂程度减低,降低了系统运行故障率;运行故障率的降低有效地降低了燃料电池本身的成本;增强了Pt催化剂抗CO毒化的能力,提高了燃料电池的发电效率和稳定性,更有利于产业化推广使用。4)自组微网技术甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC),是以5kW标准甲醇重整制氢燃料电池模块为基础,采用模块+DC/DC变换、逆变输出、配属储能电池等单元形式,确保每个燃料电池模块都可彼此独立、直接使用;采用自组微网技术,实现模块化单元的并联组网构建相应的系统,系统可采用模块轮替、联动等多种方式运行,满足用户弹性按需发电、分散配置、灵活电力调配的需要,若个别模块故障或损坏,整个系统可降负荷使用,提升系统可靠性。5)全球领先的金属双极板技术甲醇重整制氢燃料电池工作时,启停工况、快速变载工况引起的氢氧界面及阳极缺气现象均会导致碳载体、气体扩散层甚至石墨双极板的腐蚀,同时伴随着电池出现低于-1.0V的电势差(反极现象)。反极现象会对膜电极的催化层、气体扩散层造成致命性破坏。为增加燃料电池系统的鲁棒性,甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)致力于双极板材质、结构、涂敷及制作工艺研究,并取得该核心部件的关键性技术突破:a.选用新材质双极板替代传统石墨双极板石墨双极板工艺成熟、应用广泛,但极易被腐蚀;MFC技术则采用了耐腐蚀性高的金属双极板,有效解决了耐腐蚀问题;b.自主研发的浆料涂覆工艺MFC技术针对浆料涂覆工艺,经过上百次实验研究溅射沉积、超声喷涂、静电喷涂和静压喷涂对涂层成型的影响机制,聚焦于膜的厚度、涂层完整性、组分均匀性和批量一致性这四个主要参数,开发出性能优良的膜电极涂层技术,目前,金属双极板涂覆工艺,可实现在高温燃料电池工作环境下>10000h寿命;c.国际先进的双极板制作工艺金属双极板采用我公司自主研发的冲压机一次冲压制成,可同时冲压阴极阳极,精度高且无需裁边,该冲压技术目前处于世界最先进,双极板厚度可冲压到0.3~0.5mm,该设备还具有产能大、成本低等特点,单台生产节拍35对/min,远高于石墨双极板产能,是目前全球最大产能实现方案,设备成本仅是国际设备的1/4。另外,高速激光焊接工艺,将阴阳两极双极板焊接成型1:20配备,目前已处国内先进水平。6)摆脱氢气制备、储运、加注环节基础设施短板束缚,安全、可靠、现实、可行的氢燃料电池大规模商用新途径。甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)可实现移动、高效现场制氢,氢气可随产随用且为常压,不需要提纯、高压氢气罐、建设加氢站等设施设备;减少了提纯、储存、运输、加注等其他环节及其能量损耗,避免了氢气运输中的效率低下、高压加注、成本高等一系列问题;甲醇水溶液的配置、加注、使用等简便易行,只需要在原有的油气基础设施上做较少的改装即可实现,而且费用低,避免加氢站等基础设施的制约,能够最大限度地实现国内燃料电池大规模应用,甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)是一种“安全、可靠、现实、可行”的燃料电池技术。1637921256338责编:齐琛冏环球网能源频道163792125633811[]//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/86781782a7629580e5c96139ba005edbu1.png
中氢新能自主研发甲醇重整制氢燃料电池发电系统,集成高温质子交换膜燃料电池电堆、甲醇重整器与能量管理系统等模块,以甲醇水为燃料,通过中高温质子交换膜,降低系统对氢气纯度要求,使甲醇重整产生富氢气体在模块内进行发电。整个反应过程无压力容器,氢气随产随用不储氢,既有噪音低、自动化程度高、小型高效、持续工作能力强等特点,又解决了氢能储运价格高、安全隐患大、基础设施建设投资高昂等瓶颈问题,广泛应用于燃料电池动力系统、移动充电桩系统、分布式能源、移动发电站、通信基站电源、应急发电站、军民融合发电站系统等领域,在物流车、大巴车、公交车、船舶动力电源、冷链物流等应用场景中将产生巨大价值。已实现5kW燃料电池小规模量产,获得“中国首台静默移动发电站MFC30”和工信部第303批“甲醇重整制氢燃料电池物流车”两个首台套项目公示,并不断技术迭代,使碳中和与氢燃料电池耦合形成“核力”,为“绿色甲醇”提供强有力市场支撑,助力我国相关行业、企业和地区更快实现“双碳”目标。动力原料选取的创新性目前,国内市场广泛采用纯氢作为动力原料,解决燃料电池氢源问题。然而处于起步期的氢能产业暂时未能摆脱制氢成本高、供应可靠性不足的瓶颈,在能源界有“能源不可能三角”这一说法,即一种能源品类无法同时做到绿色低碳、安全可靠、低成本。而中国是全球甲醇最大的产能国和消费国,也是全球甲醇产品的定价国,作为最佳的燃料载体,甲醇被誉为“液态阳光”,常温常压处于液态,可实现长期安全稳定的储存,是理想的低成本化学储氢载体,是实现碳减排的重要路径,也是未来构成多种能源互补、多种能源形式并存,满足我国未来能源发展需要的必要条件,或将成为国家战略支撑的全新能源系统。对此,甲醇和甲醇制氢的技术路线和优势便有所体现,甲醇重整制氢燃料电池技术,采用甲醇与水混合溶液作为动力原料,经过重整制取富氢气体导入燃料电池,从而提供氢源,解决“能源不可能三角”瓶颈。环保方面:目前,世界范围内工业用氢以灰氢为主,所对应甲醇制氢路线是灰醇,其可实现劣质煤制备的优质能源作为氢的载体。而绿氢作为深度脱碳,实现“双碳”目标,是最终发展目标,如今大规模部署绿氢的商业案例较少,需长时间逐步实现技术突破、降低成本。将碳捕集和副产氢合成“绿醇”是当前“固碳储氢”的现实方法,可利用碳捕集技术,将城市大循环中捕获的二氧化碳加氢直接制备,使用过程中碳的净排放量为零,由此看来,甲醇和甲醇重整制氢路线亦可做到低成本、绿色低碳,且在增加产品价值、解决清洁能源替代化石液体燃料等问题上也具有长远意义。储运方面:常温甲醇的携氢量为98.8g/L, 而 -253℃液氢为 70.8g/L。在甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)中使用的甲醇水燃料,由质量比54%的工业一级甲醇和46%的去离子水组成,甲醇水的携氢量达105g/L以上,携氢量优于液氢,是更加优质的储能方案;另外,甲醇无需提纯、高压氢气罐、建设加氢站等设施设备,与纯氢相比减少提纯、储存、运输、加注等若干环节,可实现移动、高效现场制氢,氢气随产随用且为常压。 安全方面:甲醇相对传统汽柴油、天然气、LNG/CNG/LPG等,在闪点、燃点、挥发性、爆炸极限、辛烷值抗爆等方面更安全、更可靠,甲醇水的安全性比纯甲醇更高;且常温常压无需压力容器。成本方面优势甲醇重整制氢燃料电池(MFC)与纯氢燃料电池相比成本具有明显优势,每千瓦成本仅0.3元。六大技术创新点1)高活性、高选择性和高稳定性的甲醇重整制氢催化剂甲醇重整催化剂在Cu/ZnO/Al2O3催化剂的基础上,添加第三组分,对催化剂进行改性,从而调节催化反应路径,使得甲醇在重整过程中更容易直接与水结合分解产生氢气,而抑制甲醇的直接裂解,甲醇的单程转化率在95%以上,出口CO能达到0.1%的水平,从而提高甲醇重整制氢系统的催化产氢效率。2)微型高效甲醇重整器通过分析改性重整催化剂的反应条件,设计改进重整器反应的结构,有效地强化传热,提供快速的热量传递和物质传递,从而实现甲醇重整器微型化,缩短重整器的启动时间,提高甲醇重整制氢的产氢效率,最终增强燃料电池的整体发电效率。此外,选择合理的重整温度和甲醇配比可以有效地控制重整混合气CO含量(防止MEA膜电极中毒),微型化的重整器提高了甲醇的重整产氢效率,进而保证平稳发电。3)中高温质子交换膜低温纯氢燃料电池是目前最热、最具有前景的燃料电池技术,在众多应用领域广泛应用。实现商业化应用的燃料电池汽车都采用的是低温燃料电池系统,比如丰田Mirai、本田Clarity。低温纯氢燃料电池使用燃料为纯氢,氢气纯度为≥99.99%,需用高压储氢罐技术储氢,燃料电池使用氢气时须通过一系列的装置对高压氢气降压处理,满足使用需求,同时还需使用空压机、氢气循环泵等“卡脖子”设备,具有对氢气制备、储存、运输和加氢站等基础配套设施要求较高的缺点。甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)则采用改性的磷酸掺杂PBI中高温质子交换膜,降低了系统对氢气纯度的要求,可以直接使用甲醇重整出来的含杂质的氢气,无需加湿、提纯、减压等处理;同时,燃料电池正常工作时水为气态,避免了水热管理,燃料电池总系统的复杂程度减低,降低了系统运行故障率;运行故障率的降低有效地降低了燃料电池本身的成本;增强了Pt催化剂抗CO毒化的能力,提高了燃料电池的发电效率和稳定性,更有利于产业化推广使用。4)自组微网技术甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC),是以5kW标准甲醇重整制氢燃料电池模块为基础,采用模块+DC/DC变换、逆变输出、配属储能电池等单元形式,确保每个燃料电池模块都可彼此独立、直接使用;采用自组微网技术,实现模块化单元的并联组网构建相应的系统,系统可采用模块轮替、联动等多种方式运行,满足用户弹性按需发电、分散配置、灵活电力调配的需要,若个别模块故障或损坏,整个系统可降负荷使用,提升系统可靠性。5)全球领先的金属双极板技术甲醇重整制氢燃料电池工作时,启停工况、快速变载工况引起的氢氧界面及阳极缺气现象均会导致碳载体、气体扩散层甚至石墨双极板的腐蚀,同时伴随着电池出现低于-1.0V的电势差(反极现象)。反极现象会对膜电极的催化层、气体扩散层造成致命性破坏。为增加燃料电池系统的鲁棒性,甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)致力于双极板材质、结构、涂敷及制作工艺研究,并取得该核心部件的关键性技术突破:a.选用新材质双极板替代传统石墨双极板石墨双极板工艺成熟、应用广泛,但极易被腐蚀;MFC技术则采用了耐腐蚀性高的金属双极板,有效解决了耐腐蚀问题;b.自主研发的浆料涂覆工艺MFC技术针对浆料涂覆工艺,经过上百次实验研究溅射沉积、超声喷涂、静电喷涂和静压喷涂对涂层成型的影响机制,聚焦于膜的厚度、涂层完整性、组分均匀性和批量一致性这四个主要参数,开发出性能优良的膜电极涂层技术,目前,金属双极板涂覆工艺,可实现在高温燃料电池工作环境下>10000h寿命;c.国际先进的双极板制作工艺金属双极板采用我公司自主研发的冲压机一次冲压制成,可同时冲压阴极阳极,精度高且无需裁边,该冲压技术目前处于世界最先进,双极板厚度可冲压到0.3~0.5mm,该设备还具有产能大、成本低等特点,单台生产节拍35对/min,远高于石墨双极板产能,是目前全球最大产能实现方案,设备成本仅是国际设备的1/4。另外,高速激光焊接工艺,将阴阳两极双极板焊接成型1:20配备,目前已处国内先进水平。6)摆脱氢气制备、储运、加注环节基础设施短板束缚,安全、可靠、现实、可行的氢燃料电池大规模商用新途径。甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)可实现移动、高效现场制氢,氢气可随产随用且为常压,不需要提纯、高压氢气罐、建设加氢站等设施设备;减少了提纯、储存、运输、加注等其他环节及其能量损耗,避免了氢气运输中的效率低下、高压加注、成本高等一系列问题;甲醇水溶液的配置、加注、使用等简便易行,只需要在原有的油气基础设施上做较少的改装即可实现,而且费用低,避免加氢站等基础设施的制约,能够最大限度地实现国内燃料电池大规模应用,甲醇重整制氢燃料电池技术(MFC)是一种“安全、可靠、现实、可行”的燃料电池技术。