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国家电投集团燃料电池全产业链核心技术进展

作者:中国储能网新闻中心 来源:氢智会 发布时间:2020-07-26 浏览:
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为有力推进我国氢能产业高质量发展,中国石化于2020年7月24日邀请国内氢能领域顶级院士、专家举行“结构氢产业,谋划氢未来”氢能发展战略研讨会。

本次研讨会对氢能发展现有问题把脉问诊,为氢能未来发展献言献智,将为推进中国石化构建“一基两翼三新”发展格局、打造世界领先洁净能源化工公司和促进我国氢能产业科学发展、健康发展、高质量发展提供咨询、把握方向。

国家电投集团氢能首席专家柴茂荣在会上做了主题演讲,内容如下:

演讲实录

谢谢马总的介绍,也谢谢各位专家今天有时间来让我有这个机会介绍我们氢能源燃料电池开发情况,以及我这30多年来做的一些工作。

我今天的报告主要分成三个部分:第一,氢能的总体情况,这部分各位院士都说的比较多,所以我就简单跳过去;第二部分,燃料电池的技术进展,就是国内外的进展;第三部分,国家电投主要做了哪些工作。

下面我先介绍一下氢能的总体情况。

国家电投是一个能源企业,所以从我们公司角度来讲,我们觉得发展氢能重要意义是保障我们国家的能源安全。

第一方面释放无碳一次能源,促进能源体系清洁低碳化;第二替代油气,降低油气进口依存度;第三,优化能源终端体系,确保能源供应自主高效。所以我们开发目标首先是自主化,打通整个产业链的自主化;第二是多样化;第三是低碳,就是用清洁能源制氢;第四,分散,因为氢作为储能应用可以把电变成氢储存,比如分布式能源这些方面;第五,智慧化,把能源有效利用率提高。我国能源消费的情况,从这个图可以看出,我们国家去年整个销售量煤大概占58%,油大概是占了9%左右,还有天然气、其他的。

我们国家石油整个对外依存度70.8%,天然气对外依存度43%,合计大概8.2亿吨标准煤是进口的。所以我们整个国家的能源安全问题是非常突出的,因为如果世界整个环境变化,我们没有能源整个国家安全就会受到威胁。

能不能用可再生能源替代进口的石油和天然气?现在可再生能源年风能大概12%左右,太阳能15%左右的年增长率,当然有的年份高一点,有的年份低一点。按照这个来算8.2亿吨标准煤的依存度如果全部用风能和太阳能的增量来算,到2035年左右大概可以完全替代我们的进口油气。

但是这里面存在着问题,可再生能源非常不稳定,比如太阳能是白天有晚上没有,风能是有风就有,没有风就没有,所以非常不稳定,需要储能。如果能源可以稳定供应大概需要30%左右的储能,而不是10%。国家能源局提出来可再生能源10%,我们现在弃掉了不少。所以30%左右就是需要15000亿千瓦时的电或者其他方式配套解决。

还有一个我们国家能源可利用情况进行了分析。水、风、太阳能储量,如果我们把太阳能代替进口油气,太阳能整个可开采量大概2.5%左右,风能大概是5%左右,这两个量是完全可以达到我们的要求的,我们国家风能大概77亿千瓦,相当于74.8亿吨标准煤。太阳能一年大概4.9万亿吨标准煤的量,我们如果用可再生能源,对我们环境负荷也是没有什么影响的。

刚才我们谈到,如果利用可再生能源来替代进口油气的话,需要5000GWh余量,我们国家动力电池2015年大概100,也就是要增长50倍,因为汽车也要用到储能,其他也要用到锂电池。但是如果用氢气储能,15000度大概是5000万吨左右的氢气,我们国家一年年产氢就两千万吨左右,用氢气储能就是现有规模2.5倍,无论是制还是储还是有希望的,所以我们认为用氢气储能还是靠谱的。

所以我们认为未来清洁能源的体系一个是电氢体系,我们认为可再生能源一部分用来直接供到电网然后工业、民用、交通、航天、船舶等其他应用;另外一方面把它作为电解氢储存起来输到管网,或者是回电或者氢气直接使用,所以我们认为终端能源主要是电氢热的三种形式,电氢为主。电氢必须要在源端分离,因为终端分离很多人会有意见,既然发出来电,为什么要把它变成氢。但是如果在源端来讲,可再生能源本身上不了网,把这部分变成氢气或者可再生能源直接通过高压输电网输到现地用氢气储存起来,缺电时候再用,这还是比较可靠的用法。

所以我们认为氢能是21世纪终极能源,我们就是通过太阳光把水变成了能源,水通过电解变成氢和氧,氢和氧通过燃料电池等发电又变回了水,得到了电。整个过程是完全零排放,完全是可以循环的过程。从人类社会发展情况来看,煤炭到石油、天然气、氢是从高碳到低碳到零碳,从固态到液态到气态的过程,这是社会发展的规律,所以我们认为低碳社会是一个社会的必然选择。从能源革命来讲也是一样的,第一次、第二次能源革命带来了整个蒸汽机和内燃机的革命,产生了电。到第三次能源革命我们认为氢应该是占有一个很大的角色,一方面是走向电气化社会的过程;第二方面,燃料电池、锂电池整个属于直流电,因为我们的电脑也好、LED灯也好,还有一些数据中心也好现在用的都是直流电,所以认为氢能可以代替整个能源的储存结构。

能源里面制、储、运、用四个方面,刚才很多院士也说了,我们认为这四个是非常关键的环节。其中最重要的是两条,一个是制氢,一个是用氢,制氢这块我们还是40年代的技术,用氢燃料电池还是上个世纪90年代开始的技术,所以这两方面是我们现在要重点开发的。图中打圈的是国家电投在做的,燃料电池、加氢站、电解水,还有氢安全,我们要保证绝对安全的情况下能源整个发展才能铺开。

简单把第一章小结一下。

经测算我国的能源禀赋理论上可实现2035年完全摆脱对进口油气依赖的能源战略目标。能源安全提升的策略,一是能源结构的转型,提高终端用电比例。二是提高存量和增量的能源效率,提高能源使用的集约化水平。这个就是说氢能在这里面就会占到很大的作用。第三,加快能源结构调整,大力发展清洁能源基地,优化能源供给结构。围绕电能替代,大力发展氢能、储能,进一步提高能效,保障我们国家的能源安全。

第二章国内外燃料电池的进展情况。

燃料电池从1839年开始发明到现在大概经过了180年的历史,大概到1958年为止燃料电池一直是没有起到应用的,1958年开始航天飞机上开始首先使用了燃料电池,到八十年代初燃料电池开始用于固定式发电,用氢气来发电。90年代才开始车载使用,固体高分子电池最大的特点是低温,第二功率密度高,这两个方面决定了可以车载使用。但是从第一台车1993年到现在为止一共是27年,刚才欧阳院士也说了,这个发展速度是相当慢的。但是我们也看到它的整个进步,燃料电池整个来说虽然慢,但是整个的成本、铂金使用量到安全性、可靠性都有了很大的提高。

我们认为开发大功率燃料电池的必要性。原来的燃料电池主要是功率密度低,造成整个成本比较高。而从95年到现在整个的功率大概是从最初的单堆7千瓦到后来Daimler出现114千瓦,整个增加了30倍左右。大功率的燃料电池为什么需要?因为我们知道重卡、机车、船舶功率需求都是300千瓦到1000千瓦以上,乘用车至少2.0升大概也需要100千瓦,如果100千瓦电堆做不出来的话,必须要靠锂电池提速还是有一定的问题的。

现在最新的燃料电池大概103千瓦,它的体积大致相当于本田V6发动机的体积,但是功率只有一半。所以我们认为燃料电池功率密度还需要提高一倍,才能和现有的车辆来竞争。

这个是NEDO燃料电池电堆开发路线图,从70年代到现在,他估计2040年每升达到9千瓦左右,和内燃机的整个体积差不多了。第二条线,从左上往下走的线是一个铂金的使用量和整个成本下降的曲线,也就是说从90年代到2020年这30年整个燃料电池白金的使用量下降了200倍左右,整个成本也是下降了差不多100倍。所以我们认为大家做燃料电池还是比较努力的,和锂电池没法比,但是燃料电池虽然慢一点还是努力不少。我们国家现在也能做到100千瓦左右了,这个还是有希望的。但是我们需要知道燃料电池现在还是比较偏贵,主要的原因第一质子膜比较贵的,第二铂金比较贵,所以我们需要大量降低铂金,因为铂金的量世界上资源有限,一年大概300吨左右,如果我们能开发出低铂或者无铂的话,开发到一辆车5克左右,我们的量就够了,我认为这个还是有希望的。

燃料电池主要的瓶颈,我们主要是成本高。燃料电池公司也很多,大家都很小、很散,核心器件与基础材料如催化剂和膜电极、碳纤维等基本依赖进口。国内虽然少数地方开发基础材料,但了性能和指标和国外差距还是比较大的,大部分依靠国外零配件组装为主,大功率电堆及系统缺失。FCVs维护成本,可靠性、耐久性设计与考核不足。燃料的成本高,主要是我们加氢站不多,还有最主要的问题就是我们的氢还是单轴(音),希望中石化、中石油这些企业我们联合起来把氢和天然气一样从危化品里面剥离出来作为燃料来使用。

第三部分,讲一下我们公司的一些重点业务情况。

国家电投集团是大型能源央企,总资产1.18万亿,是全球五百强企业,我们大概排300位左右。总装机容量1.56亿千瓦,按国家来排我们是第七。清洁能源占比51%,光伏发电世界第一,风能发电世界第四,核电站3座。其中乌兰察布600万千瓦的风机和300万千瓦的太阳能光伏,未来可以给北京送210-250亿度清洁电/年,占北京用电量1/4,这就是我们为北京蔚蓝蓝天做的一个布局。

国家电投氢能公司的战略定位:1、集团公司氢能技术研发与制造一体化平台;2、集团公司氢能领域高端人才集聚基地;3、集团公司市场化改改革先行者;4、氢能技术引领者。因为我们国家电投氢能公司可能是央企里面第一个二级企业。

国家电投整个氢能产业布局是两条线,一条是能源线,也就是说利用我们公司丰富的可再生能源制氢,然后建立氢的网络,这部分可能将来需要和张总这边,中石油、中石化这些都要建立长期的战略合作;第二是产品线,因为刚才我说了,如果说我们最后的应用端打不通的话,我们前面的能源线就不通了,所以我们认为我们是通过技术研发进行燃料电池整个全产业链,从材料到产品整个研发,最后进行一些示范应用,比如说和汽车企业、储能企业还有其他企业进行合作,因为我们是能源央企,我们不会造车,但是我们会和一些汽车企业合作。

我们具体的目标是发挥国家大型能源央企的战略优势,组建产业联盟,打通卡脖子的关键材料和加工技术,实现燃料电池全产业链的完全自主化。我们产业里面所有的材料都要打通。

1、具有自主的核心技术。我们现在目前具备从催化剂到质子膜、膜电极到双极板、燃料电池电堆封装,到动力系统等氢燃料电池、制储氢等全产业链研发和生产的自主核心技术;

2、我们已经具有了一定的产业规模。在2025年我们计划达到三万堆/年,2030年达到10万堆/年的生产能力。

3、具有行业领军人才。我们目前全球品的行业领军人才大概10名左右,到2025年要达到20名左右,除此之外我们现在全部研发人员200多名,博士占60%左右,我们整个团队知识化水平还是比较高的。

我们的整个产业布局,北京主要是研发总部,完成关键技术和核心材料的中试生产。一个是关键设备、部件材料的检验检测和实验验证。氢能技术的推广应用这方面的一些规划。

宁波主要是总装技术中试,高精尖产品制造。武汉主要是一些核心零部件的生产,包括一些产业的推广,这里面主要和东风的合作。下一步我们还会在国内其他的城市进行布局,比如天津、广州这些地方再进一步布局,集团公司搞氢能好几家,除了我们其他也在布局。

接下来讲一下我们开展了哪些工作。

燃料电池里面如果把它分拆一下大概有十几项关键技术,我们包括催化剂载体到催化剂的合成,扩散层制造到质子交换膜、膜电极涂覆,还有双极板,我们利用原来搞核电的一些材料加工技术,包括流路设计、材料开发、成型、防腐涂层与工艺、电极绝缘密封,这个属于燃料电池技术部。燃料电池产品部主要是电堆结构设计、电堆组装工艺、电堆密封工艺、水热平衡仿真。燃料电池系统部,包括系统控制、DC/DC、氢泵、空气泵、其它附属设备。还有燃料电池生产部,主要北京中试线、宁波工厂、武汉工厂还有制氢储氢部。

这是我们开发的一个催化剂,我们开发的催化剂主要刚才我说的,一个是高质量活性、低铂载量为主要目标。我们现在生产的铂碳可以达到400毫安/毫克铂金左右,大概是国内两倍左右。合金催化剂目前可以达到750-780。而DOE2020年的指标只有450mA/mg-Pt。

这个是耐久性能,1.0-1.5伏,模拟开关我们可以做到40万次,10万次时候我们衰减只有10%左右。

我们主要工作在两方面做的,我们可以做到整个催化剂铂金颗粒在2.0-2.1,而且基本上在这个里面。第二是耐久性主要是通过载体的碳也好或者经过改性以后,耐久性有了很大的提高,我们目前中试线已经完成,具备了每批大概10公斤左右的生产能力。

这个是高分子质子膜,整个膜电极在低加湿或者无加湿,常温下要有导电性,不是越薄越好,因为做薄以后强度会有影响,我们在树脂上做文章,在常温就有导电性。图上右边的黑线是我们向市场上买的戈尔的膜,红线是我们自己做的。这里面我们溶胀性还在做改良,争取技术上有些突破。

扩散层也是我们自己做的,我们扩散层基本上超过了市场上买的扩散层的水平,红的和蓝的都是我们自己做的扩散层,同一个膜电极做的实验比较,在大电流下它的排水量要好得多,整个性能会好。

这个是膜电极,中间的蓝线是我们产线上下来的,最大可以达到1400左右,我们如果装成堆会稍微有点下来,但是整个性能来讲还是可以的,单片性能可以达到3000毫安每平方厘米。红线这条是我们现在做的合金的催化剂,目前来讲还没有应用到商业上去,目前基本上达到3500毫安每平方厘米,这时候工艺可以达到每平方厘米1.8瓦。因为我现在刚刚开始做这方面的一些工作,合金催化剂还没有做太多工作,如果做多了估计每平方厘米两瓦还是有希望的,因为现在差的不多。

这是我们整个双极板,主要是考察基材的溶出率,因为燃料电池里面讲了很多,很多人说不锈钢双极板能耐多少,指的是双极板本身的,我们要考虑整个质子膜,也就是基材的溶出率是关键的因素,我们自己做的可以达到0.3个ppm,不锈钢加上涂层9.66,是它的1/30,我们认为我们自己研发的钛板加涂层可以满足我们长时间耐久需要。

这是我们整个产线,从冲压、清洗、组焊、表面处理到生产追溯系统,目前已经完成了两千余组组件下线,整个双极板的产线完成的比较早,将来年产可以达到40-60万片左右的中试线。

这是我们整个电堆,目前整个来讲在无加湿下可以启动,室温可以启动。我们3.0千瓦每升含装板,我认为这个电堆我们可以拿得出手。现在还有一些耐久没做完,争取9月底前完成整个电堆开发试运行。右边是我们宁波的一条全自动的组装线,目前可能也是全球比较先进的一条组装线,丰田还有手动组装,我们全部都是机器组装完毕,下线了,这个产线最后有七个工人就够了,一年生产五千个堆左右。

这是我们整个电堆7月份下线的,我们用生产线上所有的材料组装的堆,公司领导觉得我们还有一些其他工作没准备好,要9月份再发表,所以这篇希望大家不要外传,公司不让发表。

测试活化,我们测试环境如图所示,我们已经具备了100瓦、500瓦、1千瓦、2千瓦、6千瓦、60千瓦还有120和150千瓦的整个测试系统。

这是我们整个辅助系统的开发,主要水冷堆和空冷堆两部分。水冷堆目前主要是大巴用的,乘用车还需要和汽车厂配合开发。无人机是为了冬奥会,垂直起降10千瓦还有30千瓦,主要是为了冬奥会开幕式摄影、拍照用的。

燃料电池整个中试线的计划,2018年开始组装,2019年中试的设备到位,到今年10月份整个规模化量产,到智能化量产整个设备的调试、完成,我们就可以往市场上卖了。

系列化产品除了汽车还有航空、电源,这个主要是空冷堆,还有机车,这是大功率的,将来可能350千瓦,还有离网发电,我们大概30千瓦左右的电堆,整个来讲覆盖了天上、地上还有水上、发电的过程。

我们的应用开发,今年1月份已经在宁波第一台装载我们电堆的大巴下线,现在正在进行一些耐久性的测试,争取今年年内拿到这个公告。这是我们燃料电池电池大巴车的情景。

除了这个以外还有应用的安全课题,主要是针对燃料电池的系统风险评估,包括电堆失效、反极、质子交换膜失效、动力不足、冷却系统异常、发电系统失控、温度异常、压力异常、氢气泄漏、燃爆危险、热危险、机械危险、电气危险、电磁兼容危险、废物处置危险、环境危险,我们都进行了建模和安全评估测算。

这是我们PEM水电解制氢的课题,我们发电企业如果不做制氢对我们来说整个链就没走通。刚才衣老师已经说了很多了,我就不说了,但是我们整个不是在实验室里面,我们今年年内要做出来,我们目前做的催化剂达到1.79-1.9伏,在2安培每平方米的水平,和衣院士的大连化物所发表的指标比我们这个要差一点,我们PEM制氢课题组才成立一年,取得这个成绩也是相当不容易的。这是我们从国外引进的另外一位高层次人才负责的项目。

我就说这么多,谢谢大家!

关键字:国家电投集团 燃料电池

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