安信电新：中国储能大讲堂：氢能及燃料电池专场-会议纪要（上）

时间：2016年8月11日地点：武汉前言：上周，我们有幸参与了中国储能大讲堂——氢能及燃料电池专场会议，会场大咖云集。会议内容涵盖“常温常压液态有机储氢技术及应用”、“燃料电池电动汽车构型、匹配、控制及测试探析”、“氢能基础设施发展及展望”等众多大家在氢燃料电动领域最为关心的问题，我们特别整理了近2.5万字的会议纪要与图片，受制于篇幅问题，我们将纪要精简为上下两篇，干货满满，更为详尽的会议及资料请单独联系我们。我们相信氢能及燃料电池行业未来的增长潜力，当学界、实业与资本市场的目光都聚焦于此时，配套基础设施建设、下游领域的应用铺开问题都会在多方努力下逐一解决，由点及面的商业化进程将进一步加快，燃料电池星星之火正待燎原！目录上午场：...21.常温常压液态有机储氢技术及应用...21.1.能源及其应用挑战...31.2.常温常压液态有机储氢技术...81.3.应用于车载动力系统...81.4.应用于储能系统...102.燃料电池电动汽车构型、匹配、控制及测试探析...112.1.新能源汽车三步战略...112.2燃料电池系统...112.3燃料电池车核心技术...122.4燃料电池车的成本和配套问题...122.5燃料电池车和锂电池车对比...122.2.燃料电池车汽车动力系统构型与匹配...132.3.燃料电池车控制与优化...162.4.新能源汽车综合在线测试...223.千瓦级SOFC独立发电系统的研制...253.1固体氧化物燃料电池的原理...263.2固体氧化物燃料电池的应用以及技术发展：...263.3固体氧化物燃料电池的技术路线：...273.4固体氧化物燃料电池的关键材料：...274.上午沙龙：车载燃料电池技术及其基础设施建设...29下午场...325.氢燃料电池在交通领域的应用介绍...325.1.增长平台...335.2.产品及应用...335.3.与中国合作...346.水下氢能与燃料电池技术应用及挑战...35 6.1.水下动力能源系统构架：...356.2.为什么要在水下采用氢燃料电池？...356.3.下面来谈一谈氢燃料电池在潜艇上的应用。...367.氢能基础设施发展及展望...397.1.氢能介绍...397.2.氢能发展现状...397.3.加氢站技术发展...407.4.加氢站分类...437.5.总结...448.现金矿物燃料电池的研发...459.下午沙龙...46上午场：1.常温常压液态有机储氢技术及应用主讲人：程寒松中国地质大学（武汉）可持续能源实验室主任内容提要：随着化石燃料的枯竭和碳排放的大幅上涨，能源短缺、全球变暖及气候异常等能源环境问题在全球范围内变得日益突出。因此，低碳生产将在未来能源经济的可持续发展中占据越来越重要的作用。本报告中，我们将简要介绍本课题组在氢能规模化储存领域中的最新进展。氢作为元素周期表中最轻的原子，具有最高的能量密度，同时也是最有效的能源载体之一。氢的来源众多，被广泛应用于石油化工，医药及农药生产过程。在智能电网调控、便携式移动产品、储能及电动汽车等领域，普遍认为氢能也将具有非常好的应用前景。另外，氢气还能促进化石燃料、城市废弃物以及生物质的完全燃烧，从而最大程度改善空气质量。然而，由于缺乏在常温常压下具有容量高、可逆性好、可大规模商业化的储氢材料，氢能技术至今尚未被广泛应用。基于液态有机储氢材料的概念，我们开发了一种可规模化利用的储氢技术。通过对多环芳香族化合物进行选择性催化加氢，实现了氢在常温常压下的高效液态存储;当温度升至比质子交换燃料电池装置所释放的废热稍高时，即可实现催化脱氢。由于该类储氢材料及其氢化物在常温常压下呈液态，且具有较高的闪点，其存储和运输均非常安全便利，因此基于该材料的储氢技术仅需对现有的能源设施稍加改造即可利用。在电动汽车应用领域，这项储氢技术可以使燃料电池汽车一次加注后行驶500公里。最后，我们将就储氢技术应用对未来能源经济和环境产生的影响做简要评述。美国能源部曾经总结氢能经济发展面临的四大挑战，分别是：（1）氢能的来源问题；（2）氢燃料电池的成本、效率、寿命问题；（3）氢气的储存与运输问题；（4）配套基础设施的建设问题。程寒松认为，目前前两大挑战已不复存在，而常温常压的液态储氢技术将有效解决后两项问题，并且让氢能在储能方面的应用获得突破。1.1.能源及其应用挑战 我国目前发电主要依赖化石能源，煤在其中占66%，比世界上其他国家多了一倍以上。同时，在过去的9年间，我国的汽车市场翻了三倍，由此引发了严重的环境污染问题，人们开始对可再生能源寄予厚望，希望用可再生能源来缓解当今的环境和能源安全问题。我国新能源(包括风电/光伏/水电/核能4种)发电情况如下四图所示:从风电装机总量看，2006年到2015年中国风电装机总量翻了上百倍，目前占全世界大概1/3的风电；光伏装机量同样激增，目前装机量占全球20%；水电尽管增速没有风电和光伏那么迅速，平稳，但总量非常大，占全世界将近1/4；核能的装机总量增长同样很快，5年内装机总量翻一倍，核能尽管不是可再生能源，但可被认为是清洁能源。虽然可再生能源在中国的发展速度非常迅猛，但也面临严峻的挑战，首先是并网和消纳问题：太阳能和风能都会随季节、地域、时间的变化而变化，非常不稳定；其次是储能问题，风电、水电、火电、核能均需要储能；再者是成本问题，可再生能源的使用成本较为高昂，要让可再生能源大规模地应用到市场上，资金需求很大。目前氢能技术被应用于很多领域，尤其是用于汽车，其实氢除了燃料电池这个应用之外，在整个工业过程中也有大量的应用，比如化肥中的合成氨等。在将新能源应用于汽车时，人们非常关注汽车的行驶里程，主要是因为这对于配套基础设施非常重要，高续航里程可减少充电桩数目及充电次数，目前市场上续航里程较长的车是特斯拉，特斯拉ModelS系列续航里程可达到502公里。在这样的基础上，人们对氢能技术进行了重新的认识：（1）高能量密度：氢作为最轻的元素，能量密度很高；（2）地球储量丰富，理论上说是完全可持续的能源；（3）能量转化率高；（4）清洁无污染：整个使用过程中，水是唯一的产物。原则上来说，氢能技术能用于任何适宜锂离子电池应用的领域。其实氢能源并不是一个新的概念，上一次高潮是在2000-2004年，当时美国政府认为氢能是解决环境污染和保持美国能源安全的重要措施，因此积极推行氢能汽车，但是2009年奥巴马政府上台之后，能源政策发生巨大变化，当时的美国能源部部长指出，要实现氢能经济，“四大奇迹”必须同时出现：（1）氢的来源：我们是否有足够的氢气来运用；（2）能否在常温常压下进行氢的储存和运输；（3）燃料电池的成本很高，那么其效率和寿命如何；（4）我们是否能有足够的基础设施与之配套。而当时美国认为，这四项条件并未同时具备，因此2009年之后，美国的能源政策出现“大转弯”，转而重点发展锂电池，对氢能源的研发资助大幅下降。近年来，人们仍然在继续思考氢能发展的“四大挑战”，首先是制氢技术，最传统的方式是碳氢化合物尤其是甲烷的蒸汽重整，目前这个技术已经非常成熟，大部分氢气目前仍然是以这种方式产生。神华集团宣布其氢气可以供40万辆车使用，主要都是运用这种传统方式制氢。后来也可以运用生物质方法制氢， 近年来，电解水也成为较为活跃的领域。总之目前规模化制氢已经不是问题（中国已经成为全世界最大的氢制造商），每小时制氢量上千立方米，给氢能的利用提供非常重要的基础支撑。光解水在过去几年也是很重要和活跃的学术研究领域，目前光解水的挑战是其效率相对较低，2%~5%左右，若现在效率能达到8%左右，也就可以成为正式应用的制氢方法了。以上三种制氢方法都正在发生，由于氢能源的效率很高，因此支持作为汽车动力的氢能源并不需要很多，一个小型制氢站每天产能约0.5吨，就可以支持约800辆汽车。其次是效率和寿命问题，目前公交大巴车的燃料电池寿命已经超过2万多小时，美国能源部认为燃料电池只要能工作6000个小时，就可以跟现有的内燃机的汽车可以比较，到2万小时的话，说明燃料电池的寿命问题已经完全可以解决。剩下就是效率问题，去年上市的丰田Mirai，行驶里程可以达到650公里，这是他一个明显的优点。美国能源部在1997年前后还进行了一个很有意思的预测，从2000年到2050年，传统的内燃机汽车的市场地位逐渐下滑，2000年开始，丰田的混合动力车进入美国市场，到2030年预测达到最大化，而后下降；燃料电池车在2010年开始进入美国市场，在2015年开始有较大发展，最终完全支配整个市场。1.2.常温常压液态有机储氢技术氢能经济的四大挑战中的两项挑战已经不存在，第一是氢源问题，第二个是燃料电池的寿命、成本与效率问题，丰田号称再过10年左右，其成本会下降一倍，即20万元可以买一台氢能源汽车。剩下两个重要的挑战就是氢的储存和运输以及相应的基础设施，现在真正制约氢能经济发展的就是氢气的储存和运输技术。现行的主流技术是压缩的高压储氢罐，加氢站的压力有将近1000个大气压，如此大的大气压力除了经济性欠妥以外，风险也是相当高，我们很难想象在社区中建设这样的一个加氢站。我们希望能够找到一种方式，将氢气像海绵一样在常温常压下储存起来，很方便地进行运输。我们现在已经找到了一种液态材料来作为常温常压储氢的载体，第一代产品是N-乙基咔唑，这是一种芳烃化合物，通过催化加氢的方式变为载有氢气的液体载体，然后通过逆反应进行脱氢，反应温度升高至120度有少量氢气产生，170度左右有大量氢气放出，脱氢过程产生氢的纯度可高达99.99%，并且不产生CO、NH3等其他气体。但其反应产物为固体，熔点70度；第二代材料在此基础上进行改良，具有以下几点优点：（1）反应后的产物仍是液体，因此可以循环利用，可逆性强（高于2000次）；（2）储氢量更高，质量储氢容量>5.5wt%，体积容量>50kg(H2)·m-3；（3）反应产物闪点150度不易燃，与汽油相比更加安全。由于该类储氢材料及其氢化物在常温常压下呈液态，且具有较高的闪点，其存储和运输均非常安全便利，因此基于该材料的储氢技术仅需对现有的能源设施稍加改造即可利用。在电动汽车应用领域，这项储氢技术可以使燃料电池汽车一次加注后行驶500公里。 1.3.应用于车载动力系统具体应用在汽车上，将汽车油箱改为隔膜箱，运用两个泵，一个泵用于将活动隔膜箱内的反应物送入反应器，在反应器内产生氢气供给氢发动机工作；另一个泵则在加油站使用，将隔膜箱内的反应产物回收至加油站，而加油站为隔膜箱提供反应产物。这一常温常压液态储氢基础应用在新能源汽车上后，将有效解决其配套基础设施问题，原先的高压储氢站成本高昂，在美国一个加氢站成本在150~200万美元，我们假定加氢站每天可供100~200辆乘用车加氢，同时假定内燃机车的续航里程为400公里，燃料电池车的续航里程为500公里，估算出来美国需建7万多个加氢站，日本需建25000个，日本今年原计划到年底要100个加氢站，由于各种各样的原因，最终今年只能做83个加氢站，5年内计划建成300-400个加氢站，与25000个加氢站的需求相比相差两个数量级，因此基于高压储氢技术进行燃料电池车的规模化推广在基础设施方面极具挑战性。尽管锂离子电池无论在体积能量密度还是质量能量密度方面都远远高于镍氢电池，但锂电池汽车存在严重的安全隐患，即使是特斯拉也无法保证安全性。而使用常温常压有机液态储氢技术后，可避免因车辆燃烧而引起的爆炸，从而大幅提高燃料电池车的安全性。1.4.应用于储能系统图略。储能系统的应用从千瓦级到百兆级均有涉及，一般的氢蓄能只能在1kw左右，而大的百兆级的储能只能使用抽水储能和压缩空气储能等技术，而液态储氢则不同，下面这张图是德国人对我们在美国做的第一代材料进行的预测，要存10MWh的电，需要将14000吨水抽到300m的高度，或者在20个大气压下压缩3400m³的空气，或者用30m³的锂离子电池，或者需要使用5吨液态有机储氢材料。我们目前在无锡进行的生产示范。2.燃料电池电动汽车构型、匹配、控制及测试探析主讲人：谢长君武