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孫公權:甲醇燃料電池研究開發(fā)進展

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  • 發(fā)布日期:2021-08-13
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[Descripción resumida]2020年10月19日-22日,由聯合國開發(fā)計劃署、中華人民共和國科學技術部指導,聯合國開發(fā)計劃署駐華代表處、中國汽車技術研究中心有限公司聯合主辦,佛山市人民政府、佛山市南海區(qū)人民政府全面支持的2020聯合國開發(fā)計劃署氫能產業(yè)大會在佛山市南海區(qū)樵山文化中心隆重召開。



大會設立開幕大會和6個主題論壇,圍繞燃料電池技術、氫能技術與應用、政策標準、氫安全、中日韓氫能合作等方向展開深入研討,同時邀請國家有關部委、聯合國機構等代表致辭,多位院士、國內外領軍企業(yè)發(fā)表主旨演講,為國內外氫能及燃料電池產業(yè)搭建深度交流的平臺,促進產業(yè)合作與技術進步。中科嘉鴻(佛山市)新能源科技有限公司董事長孫公權應邀出席,并在燃料電池與汽車技術論壇上作了《甲醇燃料電池研究開發(fā)進展》主題報告。

孫公權:甲醇燃料電池研究開發(fā)進展

[Descripción resumida]2020年10月19日-22日,由聯合國開發(fā)計劃署、中華人民共和國科學技術部指導,聯合國開發(fā)計劃署駐華代表處、中國汽車技術研究中心有限公司聯合主辦,佛山市人民政府、佛山市南海區(qū)人民政府全面支持的2020聯合國開發(fā)計劃署氫能產業(yè)大會在佛山市南海區(qū)樵山文化中心隆重召開。



大會設立開幕大會和6個主題論壇,圍繞燃料電池技術、氫能技術與應用、政策標準、氫安全、中日韓氫能合作等方向展開深入研討,同時邀請國家有關部委、聯合國機構等代表致辭,多位院士、國內外領軍企業(yè)發(fā)表主旨演講,為國內外氫能及燃料電池產業(yè)搭建深度交流的平臺,促進產業(yè)合作與技術進步。中科嘉鴻(佛山市)新能源科技有限公司董事長孫公權應邀出席,并在燃料電池與汽車技術論壇上作了《甲醇燃料電池研究開發(fā)進展》主題報告。

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2020聯合國開發(fā)計劃署氫能產業(yè)大會

       2020年10月19日-22日,由聯合國開發(fā)計劃署、中華人民共和國科學技術部指導,聯合國開發(fā)計劃署駐華代表處、中國汽車技術研究中心有限公司聯合主辦,佛山市人民政府、佛山市南海區(qū)人民政府全面支持的2020聯合國開發(fā)計劃署氫能產業(yè)大會在佛山市南海區(qū)樵山文化中心隆重召開。

 

      大會設立開幕大會和6個主題論壇,圍繞燃料電池技術、氫能技術與應用、政策標準、氫安全、中日韓氫能合作等方向展開深入研討,同時邀請國家有關部委、聯合國機構等代表致辭,多位院士、國內外領軍企業(yè)發(fā)表主旨演講,為國內外氫能及燃料電池產業(yè)搭建深度交流的平臺,促進產業(yè)合作與技術進步。中科嘉鴻(佛山市)新能源科技有限公司董事長孫公權應邀出席,并在燃料電池與汽車技術論壇上作了《甲醇燃料電池研究開發(fā)進展》主題報告。

 

 

中科嘉鴻“高溫甲醇燃料電池產業(yè)化項目”簽約(左二)

 

 

《甲醇燃料電池研究開發(fā)進展》報告

 

(以下為孫老師報告原稿)

      尊敬的蔡區(qū)長、譚局長,各位領導、嘉賓,尊敬的各位專家、各位同仁,大家好。我叫孫公權,來自中國科學院大連化學物理研究所,今天匯報的題目是:“甲醇燃料電池研究開發(fā)進展”。

      我們這次到佛山參加國際氫能大會,大家討論的話題總離不開能源。從歷史上來看,能源和動力確實對人類文明的發(fā)展做出了重大的貢獻。比如說早在遠古時期,人們發(fā)現了火,利用木炭使得人類文明取得了快速發(fā)展。煤炭的使用以及蒸汽機的出現引領和帶動了第一次工業(yè)革命。石油的普及、內燃機的誕生引發(fā)了第二次工業(yè)革命,以至于我們今天的現代文明。當然,隨之而來的環(huán)境污染也日趨嚴重。人們一直在思考,后石油時代我們用什么能源?我記得在初中的時候,老師說全球石油再有50年就用盡了。到了大學的時候老師又說全球的石油再用一百年就用盡了。最近一些專家也在預測說全球石油資源再有兩百年可能就用盡了。其實多少年并不重要,從理論上來講,化學資源消耗殆盡是不可避免的。石油資源枯竭以后,我們究竟用什么能源,一直是全人類所要思考的一個問題。最近一些年專家提出不同的方案。比如說核能,上個世紀70年代提出的ETER計劃。還有太陽能、風能、氫能等,其實每個方案都有它的一些優(yōu)點,同時也有一些挑戰(zhàn)。在眾多的能源里邊,氫能無疑是比較理想的一條技術路線。

      從水轉化成氫氣,氫氣能做很多很多事情。比如說氫氣的燃燒,像我們現在航天用的液氫發(fā)動機是用燃燒原理。氫氣還能用于生產化學品,加氫反應是化工領域很重要的一類反應。氫氣還可以用來發(fā)電,主要通過燃料電池,高效清潔轉化成電能,有了電能,我們開車、開船、開飛機都有可能變成現實。最大的好處是它的產物是水,所以這個循環(huán)是比較理想的。當然發(fā)展過程當中也有一些痛點,比如氫的制備、儲存、運輸和加注。此外,如果說我們的氫氣來源是從化石燃料過來的,它的潔凈、高效也受到一定的垢病。最近一些年,大約2006年,國際諾貝爾化學獎獲得者喬治A.奧拉出了一本書,叫《跨越油氣時代:甲醇經濟》,其實這個甲醇經濟和氫能經濟大體上差不太多,都用了氫。在甲醇經濟里邊核心的是用能源介質甲醇替代氫能源介質。實際上甲醇也跟氫差不多,氫干的事甲醇也可以干。比如說甲醇可以燃燒??梢杂米鰺仩t,甚至吉利汽車用甲醇來開汽車。甲醇也可以做成化學品,比如MTO把甲醇做成乙烯,這個市場是巨大的。第三塊,甲醇也可以通過燃料電池來發(fā)電,開車、開船、開飛機都是可能的。問題就在于它的產物有二氧化碳,所以它不能說是一個無碳經濟,應該說是一個少碳經濟。隨著經濟的發(fā)展,如果這個二氧化碳通過陽光又回到甲醇、乙醇了,那么這個循環(huán)就是非常非常地令人向往了。所以現在叫甲醇經濟。無論是氫能經濟也好,甲醇經濟也好,其中燃料電池都發(fā)揮著重要的作用。對于燃料電池,我們國家經過半個多世紀研究開發(fā),現在可謂遍地開花了。我們可以看到除了西北、東北地區(qū)以外,國內絕大部分省市都投入大量的人力和財力。當然,像我們佛山這么投入的還是很少的。根據秘書處統(tǒng)計的結果,從整個行業(yè)來看,技術成熟度還是顯著提高,商業(yè)化進程加快。到目前為止,主要還是以氫質子交換膜燃料電池為主。過去的5年時間里復合增長率超過40%。甲醇燃料電池現在還不普及,應該說是后起之秀,方興未艾。從資本來看,在過去的3年時間里,累計資本進入到燃料電池領域大概2400多億。我們知道氫能小鎮(zhèn)、氫谷、氫能源比比皆是,當然這里不否認也有一些水分,像我們佛山南海這么干的,還是全國少有的。新增企業(yè)在過去3年時間里邊超過1000多家,當然也有許多企業(yè)消失了,原因很復雜。到目前為止,國家的政策導向持續(xù)利好。

      對于甲醇燃料電池,它的原理和氫燃料電池幾乎類似。它跟傳統(tǒng)的一次電池、二次電池相同,都是陽極陰極發(fā)生化學反應。從工作方式來看,跟我們傳統(tǒng)的汽油、柴油發(fā)動機非常類似,只要你不斷地提供燃料它就會持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電,所以它在儲存、運輸等方面還是有很多優(yōu)勢的。對于甲醇燃料電池,最近幾年也有一些誤區(qū),這里邊我簡單就介紹一下。其實它從技術種類來看又分三類,一類叫做直接甲醇燃料電池。它的做法是甲醇原料現在用工業(yè)醇,直接到電堆里邊發(fā)電,轉化效率相對低一些,通常是用于1000瓦以下的系統(tǒng)。第二類是大家熟悉的甲醇重整燃料電池。這個做法就是甲醇燃料通過催化重整得到了混合氣,但是這個混合氣很糟糕的就是它含有大量的CO,通常要超過3萬個PPM。大家知道CO對燃料電池是一個毒物,要通過三級分離凈化,得到混合氣中CO的含量要小于10個PPM,這個時候才可以用到燃料電池里邊去。由于它的分離凈化系統(tǒng)龐大,所以這套系統(tǒng)往車上用,尤其是乘用車上用,難度比較大。第三類叫做高溫甲醇燃料電池。這種也是通過重整得到混合氣,這個混合氣不需要分離凈化,直接進入到電堆里面去。它為什么能工作?得益于我們提高了溫度,到了160度至180度,這么高的溫度nafion膜肯定是不可以的,因為我們知道美國杜邦的nafion膜工作溫度通常是60到80度,所以這個高溫膜就非常重要。其實,對于任何學電化學的人都知道,一個化學反應只要它符合Arrhenius方程的,每提高10度,電極反應速率通常增加2—4倍,如果提高100度,這個電極反應速度是非常高的,而且在150度以上CO的毒化又是可以大幅降低的,所以這么好的一個買賣大家都知道,為什么這么長時間沒做成呢,我記得95年在美國的時候很多大學里邊都有專門高分子系、化學系開展這種耐高溫甲醇燃料電池的研究,很遺憾,20多年進展緩慢,關鍵是卡在這一張膜上。

      甲醇燃料電池的技術體系跟氫完全是一樣的。我們說關鍵材料是電催化劑、載體、電解質膜、膜電極、雙極板、電堆系統(tǒng)、關鍵材料、核心部件、過程控制系統(tǒng)等這些東西,大家都差不多,這些東西構成一個甲醇燃料電池的系統(tǒng),這個系統(tǒng)的具體應用還需要電機、電控等,甚至我們還需要多種能源的互補。現在燃料電池在瞬間的脈沖導致可靠性是比較差,通常都是和鋰電池混著用,在調峰用鋰電,平時用燃料電池,多種能源動力總成。當然,應用的時候還需要接口、軟件、大數據、云計算這些東西,才能真正做到開車、開船、電站和無人機等。我們是研究所,研究重點在甲醇燃料電池系統(tǒng),主要是基礎研究、工程開發(fā)、示范應用有機結合。做法其實都差不多,圍繞著性能、壽命、成本、安全開展一系列的工作。

       由于時間限制,具體我不匯報了,我講幾個典型的。對直接甲醇燃料電池,我從93年開始研究,大連化物所從2001年開始,一晃20多年了,在這20多年里邊,我們獲得N個“中國率先”、“中國首次”、“中國第一”,去年,我們用直接甲醇燃料電池做動力的長航時無人機成功試飛,國內外也進行了大量的報道。目前為止,我們技術處于領先水平,部分成果轉移到公司,現在有的已經推廣應用。在高溫甲醇燃料電池方面,經過多年的努力,最重要的燃料電池的“心臟”——膜電極,我們在國際上跟大公司比還暫時處于領先地位,技術也獲得中國優(yōu)秀專利獎。在電堆和系統(tǒng)方面我們開發(fā)了1000W、5000W、10KW、30KW的電堆模塊和系統(tǒng),性能目前在國際上還是處于領先水平。最值得我們自豪的我們是全鏈條的,從催化劑、質子膜、電堆到系統(tǒng),我們的技術是完全自主的,全部部件是國產化的,我們實現了全鏈條,國產化。當然,實際應用安全性、可靠性非常重要,沖擊、震動等六性要求我們在國家權威部門都通過了測試,電池的壽命現在1.7萬多小時,繼續(xù)在測試。要想產業(yè)化,最重要的是生產線。原來這個膜大家都知道,用手刮的、噴的,一天弄那么幾塊,累得要死,現在經過努力,我們幾千頁的工藝包,成功做成中國第一條耐高溫電解膜生產線,目前每分鐘是0.3米,最高是1米的速度。當然,我們也有全自動化的中國第一條高溫甲醇燃料電池的膜電極生產線。有了這些,我們還有電堆的生產線。當然MES口都留在里面,我們希望將來能夠實現工業(yè)4.0。

      此外,我們牽頭制定了國家標準15項,在燃料電池目前國家標準總共25項,我們大化所牽頭的15項。在產品示范方面,我們跟多家合作,最近又跟愛馳公司簽署了全面戰(zhàn)略合作協(xié)議。這個項目我們昨天也簽約了,即將落戶佛山南海氫谷。這是我們的電動車,2016年底開始示范,也發(fā)現一些問題,但總體來看運行還是很不錯的,也得到了很多領導和專家的好評。除了在電動車應用以外,高溫甲醇燃料電池還有一個非常重大的市場,那就是船。我們知道現在全球大型船舶1萬多艘,年消費3.7億噸燃料。我國的漁船眾多,如果用甲醇燃料電池替代現在的重油等,每年一艘萬噸船可以節(jié)省200到300萬人民幣。

      就是說這種電池除了社會效益以外,還有良好的經濟效益。當然,它的應用領域還有很多,細分市場眾多?;氐侥茉催@個方面,如果說從現在的能源,如煤、油、氣、電、甲醇,在制備、物流、儲存、運輸方面,從三個維度即效率、環(huán)境、經濟性去分析,氫可能從長遠來講是非常好的,但是近中期甲醇無疑技術優(yōu)勢明顯。我們也開展了廣泛的國際合作,包括在國內兗礦集團、中石化等。我個人觀點,最重要的我認為,氫能高效清潔,安全可靠,氫燃料電池前景廣闊。甲醇燃料電池的經濟社會效益也很明顯,發(fā)展態(tài)勢是由于氫燃料電池、甲醇燃料電池、鋰子電池各有優(yōu)缺,一定是共存互補的,這是大勢所趨。所以我們沒必要說這個電池好、那個電池是不好。在此我再做一個小的廣告,燃料電池協(xié)會最近正在組織材料向國家相關部委有關部門報一些計劃,也希望在座的同仁有什么需求、有什么建議、請不吝賜教。聯系人是王素力,他是我們協(xié)會的副秘書長。謝謝大家!



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