氢能产业技术国内外进展课件

单击此处添加副标题内容氢能产业技术国内外进展2020单击此处添加副标题内容氢能产业技术国内外进展20201我国氢能系统规划路线2我国氢能系统规划路线22我国氢能关键零部件规划路线3我国氢能关键零部件规划路线33我国氢能动力系统及成本规划路线4我国氢能动力系统及成本规划路线44我国氢燃料电池整车规划路线5我国氢燃料电池整车规划路线55

化石燃料Fossil

fuels•天然气重整Steam

reforming•天然气部分氧化

Partial

oxidization•天然气热解

Thermal

cracking•煤气化

Coal

gasification制氢原料一.

制氢技术

制氢方法

水

Water

生物质Biomass

其他

Others•电解水•热解水•热化学循环•光催化分解•微生物发酵•生物质气化•H2S热解•化工尾气•焦化行业尾气Water

electrolysisThermolysisThermal

chemical

cyclesPhotolysisBacteria

fermentationBiomass

GasificationH2S

pyrolysisH2

from

ChemicalIndustryH2

from

coke

industry 化石燃料•天然气重整Steamreforming•天然6制氢方法优点缺点化石燃料重整、气化制氢技术成熟，可满足近期所需原料属不可再生能源，储量有限，有CO2、污染物排放电解水制氢技术比较成熟，工艺简单，无污染，可制备高纯度氢电耗巨大，能量利用效率只有20-30%生物质制氢反应温和能耗低，资源广储量大产氢速率较慢，生物氢气需脱碳提纯光解水制氢无污染，有工业应用潜力光能转化率和产氢速率低，离实用距离尚远高温热解水制氢原理简单，理论技术成熟需要2500℃～3000℃高温，近期可行性较小热化学硫碘循环水分解制氢反应温和，可匹配核能、太阳能作为热源等，热效率较高HI分解速率低，流程复杂，需研制耐腐蚀高温材料和设备当前各种主流制氢技术制氢方法优点缺点化石燃料重整、技术成熟，可满足近期所需原料属7

1.1

化石燃料制氢目前全球H2产量在5千万吨/年左右，且年增长率6%～7%。全球商业用H2大约96%由煤、石油和天然气等化石燃料制取。我国生产的H2有80%以上用于煤气化合成氨工业。

世界产氢原料对比

天然气制氢反应装置 1.1化石燃料制氢8固定床气化炉流化床气化炉气流床气化炉Lugi固定床干态排渣气化炉Winkler

CFB

gasifierC

+

O2=

CO2CO2+

C

=

2COC

+

H2O

=

CO

+

H2煤气化制氢固定床气化炉Lugi固定床干态排渣气化炉WinklerC91碱式电解槽组成：电源、电解槽、电解液、阴极、阳极和横膈膜；2电解液为浓度20~30%(w/w)

KOH；3隔膜由石棉组成分离气体；4电极由金属合金组成:

Raney

Ni、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe等.22H2O2e

H2

2OH

2OH

1

O2

H2O2e阴极

阳极1.2

电解水制氢

目前电解法仅占氢气总产量4%：

纯度高、能耗高、成本较高。

电解效率75~85%，电耗：~4.5kWh

/m3-H2，电费占成本80%。1碱式电解槽组成：电源、电解槽、22H2O2eH210装置组成：水电解槽、气液分离器、气体洗涤器、电解液循环泵、压力调整器、仪表电源设备等

工业电解水制氢装置目前广泛使用70-80℃碱性电解水制氢装置，正在研制120-150℃碱性电解水制氢装置。装置组成：水电解槽、气液分离 工业电解水制氢装置11m3单位类型设备型号

产氢量（Nm3/h）氢气纯度电流密度

电解效

氢气出口压力(A/cm2)

率

（bar）综合耗电量网站

加拿大Hydrogenics有

限公司PEM水电解HySTAT-x-30系

<300;<1000;<5

列

00099.9980%0~305.0~5.4KWh/N

https://www.h

ydrogenics.coelectrolysis/HyLYZER-400-

40<40099.9980%0~30

m/hydrogen-

products-

solutions/indus5.2KWh/Nm3

trial-hydrogen-

generators-by-

美国ProtonOnsite有限公司PEM水电解https://www.pr

/products-

proton-site/StableFlow™

S系列

C系列

200

0.53；1.0510；20；3099.9995%99.9995%99.9998%

3013.8

30H系列2；4；699.9995%15；30国内外PEM电解水制氢设备性能对比中船重工718研

究所PEM水电解PEM电解制氢

设备0.01~50185%http://www.p/淳华氢能科技股份有限公司PEM水电解M系列-CPH-50

H系列-CPH-1-

10

S系列-CPH-

0.3-0.6

0~50

1~100.3~0.699.9900%99.9900%99.9900%0~350~350~354.8KWh/Nm35.0KWh/Nm3

http://www.

/5.0KWh/Nm3山东赛克赛斯氢能源有限公司PEM水电解QLS-H6<699.9999%m3单位类型设备型号 产氢量氢气纯度电流密度电解效氢气出12加拿大Hydrogenics公司PEM电解水制氢设备

HySTAT®基础款系列

最大工作压力：10-25bar

最大产氢速率：根据不同型号（10、15Nm3/h）

产氢纯度：99.999%

产氢能耗：4.9

kWh/Nm3

at

full

loadHySTAT®集装箱系列集成了HySTAT®制氢设备，冷却系统、给水净化系统、氢气净化系统等外围设备。最大工作压力：10bar最大产氢速率：根据电堆数量（10-60Nm3/h）

产氢纯度：99.998~99.999%产氢能耗：5.4

kWh/Nm3

at

full

load根据客户需求可以产生150bar，>500Nm3/h加拿大Hydrogenics公司PEM电解水制氢设备HyST132017欧洲第一台潮汐能发电制氢装置产氢能力：220kg/day电解槽ITM

Power公司提供

PEM电解水制氢的工业应用目前碱性水电解制氢再工业上的大规模应用较多，PEM电解水制氢的工业应用项目还比较少

加拿大Hydrogenics公司2018年为挪威Haeolus风力

制氢项目提供装机2.5MW的PEM水电解制氢设备

2019年将向德国交付产氢400kg/day的加氢站，加

氢站电力来源当地垃圾焚烧产生的剩余电量。2017欧洲第一台潮汐能发电制氢 PEM电解水制氢的工业应用14阴极端板阳极端板垫圈阴极扩散层

阳极扩散层

膜负载催化剂阳极端盖/储水槽PEM电解槽浙江大学PEM电解水制氢实验装置

氢气分析仪电化学工作站阴极端板阳极端板垫圈阴极扩散层15暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H、小分子有机酸2HCO2、2优点底物多元化底物转化率、产氢率提高2-3倍1.3

生物质制氢暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H、小分16

2010年全国大学生节能减排竞赛一等奖生物质暗光发酵耦合产氢和CO2综合利用系统②①⑥③④⑤6

2

3

6光

2

2

3

2（1）

CH

12O

2HO2CHCOOH+2CO

4H总反应：

H

1O

2

2

6C62

H

2（2）2CHCOOH4HO

4CO

8H

(3)6CO2

+6HO

O=C

OH12O6+6

O2总反应：H2O=H2+0.5O2 2010年全国大学生节能减排竞赛一等奖②①⑥③④⑤617国家重点研发项目：杭州环境集团餐厨垃圾

厌氧发酵联产氢气和甲烷示范工程

技术关键：500m3产氢发酵罐连续稳定运行，以及产氢罐和产甲烷罐耦合国家重点研发项目：杭州环境集团餐厨垃圾技术关键：50018生物天然气开汽车的示范工程日产生物天然气量6万m3/天，可供应南宁市2000辆出租车代油使用(目前已实际运行400辆)，则每辆出租车节省燃料费3000元/月。燃气比燃油减排CO和HC量约70-90%，减排SO2量90%，减排NOX量39%，减排PM2.5量30-40%，减排CO2量24%。

19生物天然气开汽车的示范工程日产生物天然气量6万m3/天，可供19研究团队循环能源利用效率对比最高最合理Goldsteinetal.51%33%~36%Kasaharaetal.57%34%Leeetal.47%~48%ZJUSIcycle51.1％ZJUopenloopcycle66.79%热化学硫碘开路循环将反应温度从950℃降低至500℃，实现H2SO4和H2联产系统效率达66.79%；采用电厂供热的氢气成本为8.17元/kg，可利用冗余水电和风电等进行电解水制氢（传统，成熟，电耗高），发展下游新能源汽车产业。1.4

热化学循环分解水制氢

热化学硫碘循环水解制氢(1)

I2+

SO2

+

2H2O

→

H2SO4

+

2HI(2)(3)H2SO4

→

SO2

+

H2O

+

1/2O22HI

→

I2

+

H2研究团队循环能源利用效率对比最高最合理Goldsteinet20浙大已建成50

L/h热化学循环制氢系统三大模块设备：Bunsen反应、HI分解、硫酸分解模块浙大已建成50L/h热化学循环制氢系统三大模块设备：Bun21

电网公司风光电解水制氢储能前景广阔现阶段基于H2化学能的大规模风光储能：碱性电解

槽H2高压

储存SOFC发电电网压缩电网

中长期风光电解水制氢储能研发方向：

PEM聚合物电解槽，提高能量效率>90%以上；

SOFC固体氧化物燃料电池，提供能量转换效率>80%(充分余热回收）；

经济可靠的液体或固体储氢技术；

H2能耦合峰谷电、风光电，实现整体储能效率>60%。

新型的经济制氢方法，加氢站的设计及建设布局。 电网公司风光电解水制氢储能前景广阔碱性电解H2高压SOF22二、氢能储运安全2.1全球燃料电池汽车加氢站现状23二、氢能储运安全2323日本、美国和欧洲的加氢站规划24日本、美国和欧洲的加氢站规划2424我国目前加氢站的建设情况25我国目前加氢站的建设情况2525

干燥系统氢气压缩系统调压（计量）装置

加气系统高压区中压区低压区储气系统

气源氢燃料电池

汽车加氢站主要设备：泄气柱、压缩机、储氢罐、加气机、管道、控制系统、氮气吹扫装置及安全监控装置加氢站工艺流程26 干燥系统调压（计量）装置高压区储 气源加氢站主要设备：泄气26美国能源部2020年储氢技术目标储氢用氢常温常压下氢气密度:

0.089

g/L6kg氢气的体积：5米直径的球提升压力至700

bar:

150

Lgravimetric

capacity:

5.5wt%volumetric

capacity:

40g/Loperating

temperature:

-40~60ºCmax.

delivery

pressure:

12

bar

制氢27美国能源部2020年储氢技术目标储氢用氢常温常压下氢气密度:27

储氢技术：安全高效、高密度、低成本

（绝大多数加氢站和氢能源汽车都采用高压储氢）1、高压容器储氢(35~70MPa)，

储氢密度1.0~5.7wt.%

优点：储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、

充装和排放速度快，技术成熟成本低

缺点：安全要求高，体积储氢密度较低

应用：绝大多数氢能汽车、燃料电池电站、

通讯基站应急备用电源、加氢站2、低温液氢储存（-253℃），

储氢密度5.7wt.%

优点：体积储氢密度高、液态氢纯度高

缺点：液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂

应用：航天试验液氢燃料，民用少3、金属氢化物储氢，储氢密度1.0~4.5wt.%

优点：氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；

缺点：重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求

应用：未来重要发展方向、燃料电池氢源系统28 储氢技术：安全高效、高密度、低成本2828储氢技术原理方式对比车载气态储氢罐液态储氢罐固态材料储氢体积密度低需要高压力压缩氢气能耗较高体积密度高(70g/L)压缩冷却液化能耗更高(约1/3所制得液氢的燃烧热值)

金属镁储氢密度潜在能力高但综合性能距离目标值仍然很远

29储氢技术原理方式对比车载气态储氢罐液态储氢罐固态材料储氢体积29压缩氢气与储氢材料性能对比压缩氢气与储氢材料性能对比30工况：常温、高压、高纯氢气特征：材料塑性降低、裂纹扩

展速度加快2.2

高压储氢：常温高压氢脆是技术瓶颈31工况：常温、高压、高纯氢气2.2高压储氢：常温高压氢脆是技31金属材料氢脆过程Oxide

filmImpurity

moleculeH

moleculeH

with

GBH2

pressure：HydrogenH

with

vacancyH

with

dislocationH

withPrecipitate/InclusionH

with

SFPlastic

blunting

StresstriaxialityDiffusionDiffusionAdsorption32金属材料氢脆过程OxidefilmImpuritymol322017年12月发布，2018年7月实施

工作压力：25/35/50/70Mpa

A类≤35MPa，

B类＞35MPa

水容积：A类≤450L；

B类≤230L

设计使用年限：

A类15年；

B类10年

使用温度：-45~80℃2017年12月发布，2018年7月实施33

浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术研制成功高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器及安全性能检测装置。创新性提出了全多层高压容器结构，将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合。34 浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术3434

35MPa车载储氢和45MPa站储氢技术建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构－材料－工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄（0.5mm）铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术，实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。35 35MPa车载储氢和45MPa站储氢技术3535高压储氢的技术标准要求金属材料与高压氢环境相容性：为使高压氢系统长寿命、安全、可靠地运行，世界各国标准均要求金属材料与高压氢环境具有良好的相容性。测试要求：测量氢致裂纹应力强度因子

KIH、疲劳裂纹扩展速率等。

国家/国际标准制订:国家标准

氢系统安全基本要求（国家标准计划编号：20083230-T-469）国家标准

车载纤维全缠绕高压储氢气罐

（国家标准计划编号：20074743-Q-469）国际标准

站用高压氢气储罐（国际标准提案编号:

ISO/TC197

N

436)

与法国液空公司（Air

Liquid）等国际名企一起，将我校自主研发的“全多层多功能高压氢气储罐”纳入国际标准。国际标准

轻型燃料电池车用低压储氢容器

36高压储氢的技术标准要求金属材料与高压氢环境相容性：为使高压36物理吸附储氢基于分子间作用力需要较低温度和较高压力化学吸附储氢基于原子间的化学键合力需要较高温度实现循环较理想的储氢反应温度：100ºC附近较理想的储氢反应压力：10

atm

左右2.3

固体材料储氢动力学，速度—功率可逆性，可逆程度材料工作寿命其他实际因素考虑：成本，安全

至今仍未有完美

的储氢材料！

37物理吸附储氢较理想的储氢反应温度：100ºC附近2.337不同储氢材料的储氢能力比较技术关键：体积密度重量密度可逆性38不同储氢材料的储氢能力比较技术关键：3838储氢材料的热力学性能The

van’t

Hoff

equation39储氢材料的热力学性能Thevan’tHoffequat39

储氢材料的动力学性能

Kinetic

properties

Kinetic

process

Different

kinetic

models

Reaction

barrier:

Activation

energy金属-氢反应过程中体系自由能变化

More

difficult

during

dehydrogenation

than

hydrogenation

40 储氢材料的动力学性能金属-氢反应过程中体系自由能变化40

传统合金储氢材料

AB5

-

LaNi5

(MmNi5-xMx)

储氢量1.5wt%、动力学好、较贵AB2

-

ZrCr2

(Ti1-xZrxCrMn)

储氢量2.0wt%、动力学好、昂贵、难活化AB

–

FeTi

储氢量1.8wt%、动力学好、易中毒、歧化A2B

-

Mg2Ni

储氢量3.6wt%、动力学差Mg

储氢量7.6wt%、动力学很差

（约400oC、

30

atm)Ni-MHBatteries41 传统合金储氢材料Mg储氢量7.6wt%、动力41近年发展的物理吸附储氢材料

Carbon,

MOFs,

zeolites,

porous

polymers,

…

Adsorption

enthalpies:

~2-5

kJ

/

mol

H2

Liquid

N2

temperature

Capacity

limited

by

specific

surface

area

(SSA),

pore

structure

and

pore

sizes

Ideal

materials:

High

SSA,

pore

size

<

1

nm

Better

measured

with

up

to

2~10

MPa

H2,

using

IUPAC

“excess

hydrogen

material

capacity”.

Goal:

higher

capacity

up

to

10wt%

at

2-3MPaH2

uptake

capacities

at

77K

and

BET

surface

areas

ofvarious

MOFs

42近年发展的物理吸附储氢材料Carbon,MOFs,42

近年发展的化学储氢材料

Hydrolytic

Hydride

Systems

氢化物水解体系

NaBH4:

Usually

irreversible

Reversible

Hydride

Systems

可逆储氢体系

Interstitial

Metal

hydrides

AB5

(LaNi5),AB2

(A=Ti,

Zr,

Mg;

B=V,

Cr,

Fe,

Mn),AB3

…

Salt-like

MgH2:

high

cap.,

low

cost,

env.

friendly,

good

reversibility

NaAlH4

Irreversible

Hydride

Systems

非可逆储氢体系

LiAlH4,

LiBH4,

Mg(BH4)2

Amine-BoraneAdducts:

NH3B3H7,

胺硼烷

Amides/Imides氨基化合物，酰亚胺等43 近年发展的化学储氢材料Amine-BoraneAd43三、氢燃料电池系统

化学总反应式

：2H2

+O2

=2H2O

+

电

+

热氢燃料电池是将氢气和氧气化合产生电、水、热的电化学装置。只要保证燃料供给，氢燃料电池将会连续发电。整个化学反应过程安静、无污染，电池效率比化石燃料燃烧高2~3倍，能量转换效率可达80~90%。44三、氢燃料电池系统 化学总反应式：2H2+O2=2H44燃料电池分类45燃料电池分类4545五种燃料电池的优缺点46五种燃料电池的优缺点4646燃料电池的技术难点47燃料电池的技术难点47473.1质子交换膜燃料电池构造原理483.1质子交换膜燃料电池构造原理4848PEM

fuel

cellAire-Membrane

ElectrodeAssembly

CathodeReaction

O2

+

4H+

+

4e-

2H2OGas

Diffusion

LayerGas

Diffusion

LayerH2Bipolar

plateBipolar

plateLoad

Anode

H+Cathode

AnodeReaction2H2

4H+

+

4e-NISTPlatinum

CatalystCarbon

black质子交换膜燃料电池的阴阳极反应49PEMfuelcellAire-MembraneAsse49质子交换膜燃料电池的结构组成NREL50质子交换膜燃料电池的结构组成NREL5050

质子交换膜

PEM(proton

exchange

membrane)作用：电解质，传导质子，隔离反应气体要求：稳定不降解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小，强度高材料：

Nafion

Dow膜，复合膜，BaM3G膜51 质子交换膜5151催化层CL

(Catalyst

layer)作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；材料：Pt/C,Pt-Ru/C载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术催化剂最先进的是“壳核”结构

52催化层CL(Catalystlayer)作用：燃料电池52气体扩散层GDL

(gas

diffusion

layer)

作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水

要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，

稳定性高不降解，强度高

材料：石墨化碳纸或碳布53气体扩散层GDL(gasdiffusionlayer53流场板FP(Flow

Plate)对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate作用：气体分配，集流，导热，密封要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本材料：石墨，合金54流场板FP(FlowPlate)对于水冷流场，又称为双极54GM

FCUS

fuel

cellBMW，5

GT丰田燃料电池系统集成55GMFCUSfuelcellBMW，5GT丰田燃料电55HD6

ballardIntellagent

energyFlow

Cath新源动力燃料电池系统集成56HD6ballardIntellagentenergyF56燃料电池系统集成57燃料电池系统集成57573.2

车用燃料电池系统工作原理3583.2车用燃料电池系统工作原理35858车用质子交换膜燃料电池的工作原理59车用质子交换膜燃料电池的工作原理5959车用质子交换膜燃料电池的工作原理60车用质子交换膜燃料电池的工作原理6060车用高压储氢罐的外观结构61车用高压储氢罐的外观结构6161车用高压储氢罐的工作原理62车用高压储氢罐的工作原理6262内衬塑料膜(密封氢气)

炭纤维塑料层（确保压力的存在）

玻璃纤维塑料层（保护表层）边缘部分

顶部车用高压氢气储罐的性能特点

气瓶瓶身

常规运作压力

储存密度

内部体积

氢气储存量内衬塑料膜(密封氢气)边缘部分车用高压氢气储罐的性能特点63冷却水热交换器关闭阀门萃取液体充气部分

·

充气线气体萃取

超绝缘体液体深位探测外部容器

悬浮液体氢气

-253摄氏度

安全阀门

气态氢电子加热

换向阀（气态/液态）车用液态氢气储罐的性能特点

内部容器64冷却水热交换器关闭阀门萃取液体 · 超绝缘体外部容器液体氢64日本丰田Mirai燃料电池汽车3.3

燃料电池整车构造原理65日本丰田Mirai3.3燃料电池整车构造原理6565日本丰田Mirai燃料电池汽车的内部构造66日本丰田Mirai燃料电池汽车的内部构造6666燃料电池汽车的氢气储存过程67燃料电池汽车的氢气储存过程6767基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。燃料电池汽车的氢氧反应产电动力系统68基本原理是电解水的逆反应,把氢和燃料电池汽车的氢氧反应产电动68燃料电池客车构造工作原理车辆控制器电动机控制器电机机械传动装置燃料电池系统电子接口设备辅助电源功率控制

单元车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电动机驱动子系统

峰值电源能源子系统温度控制单

元

辅助子系统69燃料电池客车构造工作原理车辆控制器电动机电机机械传动装置燃料69燃料电池客车的系统构型上海神力燃料电池

130kW

双向DCDC

放电：50kW

充电：20kW镍氢或锂离子电池

80~100Ah200～250V

驱动电机额定100kW最大180kW目标样车70燃料电池客车的系统构型上海神力 双向DCDC200～25070丰田燃料电池车市客车FCHV71丰田燃料电池车市客车FCHV7171德国奔驰燃料电池城市客车72德国奔驰燃料电池城市客车7272国内外典型燃料电池乘用车的性能参数对比73国内外典型燃料电池乘用车的性能参数对比7373我国正式生产的燃料电池车型74我国正式生产的燃料电池车型7474中国近年燃料电池汽车的三大技术突破75中国近年燃料电池汽车的三大技术突破75753.4

燃料电池汽车安全系统763.4燃料电池汽车安全系统7676照片1–时间:

0分0秒–氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边照片2–时间:

0分3

秒–两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量680CC/min燃料电池车与传统汽油车失火对比77照片1–时间:0分0秒–氢燃料照片2–时间:0分377照片

3

–

时间:

1分0

秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大燃料电池车与传统汽油车失火对比照片4

–

时间:

1分30秒78照片3–时间:1分0秒，燃料电池车与传统78照片

5

–

时间:

2

分20秒

–

内部爆燃燃料电池车与传统汽油车失火对比照片

6

–时间:

2

分40秒

–

驾驶座侧后轮胎爆裂79照片5–时间:2分20秒燃料电池车与传统79

燃料电池汽车抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）80 燃料电池汽车抗冲击测试8080抗冲击测试后进行评估燃料电池汽车抗冲击和耐高温测试高压氢气罐耐高温测试

81抗冲击测试后进行评估燃料电池汽车抗冲击和耐高温测试高压氢气罐81氢能源(制氢、储运）加氢站

电堆燃料电池系统

系统辅件氢燃料电池产业链构成双极板密封圈

气体扩散层

应用

空压机

增湿器

氢循环系统DC/DC碳布/碳网

催化剂

质子交换膜客车轿车叉车机车四、燃料电池汽车产业发展

膜电极

端板固定式电源便携式电源

82氢能源加氢站 电堆 系统辅件双极板 增湿器碳布/碳网客车四82我国氢能与氢燃料电池产业链的主要生产企业83我国氢能与氢燃料电池产业链的主要生产企业8383氢燃料电池系统的主要企业及产品参数

企业

北京艺华通

新源动力

上海重塑

北京蓝吉

上海攀业大连光阳机电

上燃动力

苏州弗尔赛

江苏索尔

北京氢能

北京碧空

武汉众宇

南通泽禾

功率（KW

）

30、60

45

30、60

16、30、45

0.03

、5

31

0~6

5~10

30

10、30

1751.2、2、4、6、10、

100

50、175运行/储存温度（℃）

-20~45/-30~45

-20~45/-20~45

-20~45/-30~45

——

-5~40

-10~42/0~42

-10~42

-10~42

——

-10~45/-40~60

-20~40

-10~45

-20~40

应用

商用车、乘用车

商用车、乘用车

商用车、乘用车

商用车、乘用车

无人机、通信基站

商用车

商用车观光车、叉车、备用

电源

商用车

商用车发电系统、备用电源

无人机、备用电源发电系统、备用电源浙江南都50~50/-10~50通信基站84氢燃料电池系统的主要企业及产品参数 企业 功率（KW）842018-2019年我国氢燃料电池汽车产量852018-2019年我国氢燃料电池汽车产量85852019年我国氢燃料电池项目产业进展862019年我国氢燃料电池项目产业进展86862019-2020年我国燃料电池汽车产业发展趋势872019-2020年我国燃料电池汽车产业发展趋势8787我国燃料电池汽车的产业发展目标88我国燃料电池汽车的产业发展目标8888未来氢能社会带来的产业变化89能源结构装备制造终端应用

氢能作为动力燃料取代石油

氢能作为分布式供能燃料取代或部分取代天然气、煤

带动制氢、存储、运输等环节及相关装备制造业发展带来汽车、船舶、军工等动力系统革命及分布式供能、

应急电源等变革。未来氢能社会带来的产业变化89能源 氢能作为动力燃料取代89谢

谢

大

家90谢谢大家9090单击此处添加副标题内容氢能产业技术国内外进展2020单击此处添加副标题内容氢能产业技术国内外进展202091我国氢能系统规划路线2我国氢能系统规划路线292我国氢能关键零部件规划路线3我国氢能关键零部件规划路线393我国氢能动力系统及成本规划路线4我国氢能动力系统及成本规划路线494我国氢燃料电池整车规划路线5我国氢燃料电池整车规划路线595

化石燃料Fossil

fuels•天然气重整Steam

reforming•天然气部分氧化

Partial

oxidization•天然气热解

Thermal

cracking•煤气化

Coal

gasification制氢原料一.

制氢技术

制氢方法

水

Water

生物质Biomass

其他

Others•电解水•热解水•热化学循环•光催化分解•微生物发酵•生物质气化•H2S热解•化工尾气•焦化行业尾气Water

electrolysisThermolysisThermal

chemical

cyclesPhotolysisBacteria

fermentationBiomass

GasificationH2S

pyrolysisH2

from

ChemicalIndustryH2

from

coke

industry 化石燃料•天然气重整Steamreforming•天然96制氢方法优点缺点化石燃料重整、气化制氢技术成熟，可满足近期所需原料属不可再生能源，储量有限，有CO2、污染物排放电解水制氢技术比较成熟，工艺简单，无污染，可制备高纯度氢电耗巨大，能量利用效率只有20-30%生物质制氢反应温和能耗低，资源广储量大产氢速率较慢，生物氢气需脱碳提纯光解水制氢无污染，有工业应用潜力光能转化率和产氢速率低，离实用距离尚远高温热解水制氢原理简单，理论技术成熟需要2500℃～3000℃高温，近期可行性较小热化学硫碘循环水分解制氢反应温和，可匹配核能、太阳能作为热源等，热效率较高HI分解速率低，流程复杂，需研制耐腐蚀高温材料和设备当前各种主流制氢技术制氢方法优点缺点化石燃料重整、技术成熟，可满足近期所需原料属97

1.1

化石燃料制氢目前全球H2产量在5千万吨/年左右，且年增长率6%～7%。全球商业用H2大约96%由煤、石油和天然气等化石燃料制取。我国生产的H2有80%以上用于煤气化合成氨工业。

世界产氢原料对比

天然气制氢反应装置 1.1化石燃料制氢98固定床气化炉流化床气化炉气流床气化炉Lugi固定床干态排渣气化炉Winkler

CFB

gasifierC

+

O2=

CO2CO2+

C

=

2COC

+

H2O

=

CO

+

H2煤气化制氢固定床气化炉Lugi固定床干态排渣气化炉WinklerC991碱式电解槽组成：电源、电解槽、电解液、阴极、阳极和横膈膜；2电解液为浓度20~30%(w/w)

KOH；3隔膜由石棉组成分离气体；4电极由金属合金组成:

Raney

Ni、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe等.22H2O2e

H2

2OH

2OH

1

O2

H2O2e阴极

阳极1.2

电解水制氢

目前电解法仅占氢气总产量4%：

纯度高、能耗高、成本较高。

电解效率75~85%，电耗：~4.5kWh

/m3-H2，电费占成本80%。1碱式电解槽组成：电源、电解槽、22H2O2eH2100装置组成：水电解槽、气液分离器、气体洗涤器、电解液循环泵、压力调整器、仪表电源设备等

工业电解水制氢装置目前广泛使用70-80℃碱性电解水制氢装置，正在研制120-150℃碱性电解水制氢装置。装置组成：水电解槽、气液分离 工业电解水制氢装置101m3单位类型设备型号

产氢量（Nm3/h）氢气纯度电流密度

电解效

氢气出口压力(A/cm2)

率

（bar）综合耗电量网站

加拿大Hydrogenics有

限公司PEM水电解HySTAT-x-30系

<300;<1000;<5

列

00099.9980%0~305.0~5.4KWh/N

https://www.h

ydrogenics.coelectrolysis/HyLYZER-400-

40<40099.9980%0~30

m/hydrogen-

products-

solutions/indus5.2KWh/Nm3

trial-hydrogen-

generators-by-

美国ProtonOnsite有限公司PEM水电解https://www.pr

/products-

proton-site/StableFlow™

S系列

C系列

200

0.53；1.0510；20；3099.9995%99.9995%99.9998%

3013.8

30H系列2；4；699.9995%15；30国内外PEM电解水制氢设备性能对比中船重工718研

究所PEM水电解PEM电解制氢

设备0.01~50185%http://www.p/淳华氢能科技股份有限公司PEM水电解M系列-CPH-50

H系列-CPH-1-

10

S系列-CPH-

0.3-0.6

0~50

1~100.3~0.699.9900%99.9900%99.9900%0~350~350~354.8KWh/Nm35.0KWh/Nm3

http://www.

/5.0KWh/Nm3山东赛克赛斯氢能源有限公司PEM水电解QLS-H6<699.9999%m3单位类型设备型号 产氢量氢气纯度电流密度电解效氢气出102加拿大Hydrogenics公司PEM电解水制氢设备

HySTAT®基础款系列

最大工作压力：10-25bar

最大产氢速率：根据不同型号（10、15Nm3/h）

产氢纯度：99.999%

产氢能耗：4.9

kWh/Nm3

at

full

loadHySTAT®集装箱系列集成了HySTAT®制氢设备，冷却系统、给水净化系统、氢气净化系统等外围设备。最大工作压力：10bar最大产氢速率：根据电堆数量（10-60Nm3/h）

产氢纯度：99.998~99.999%产氢能耗：5.4

kWh/Nm3

at

full

load根据客户需求可以产生150bar，>500Nm3/h加拿大Hydrogenics公司PEM电解水制氢设备HyST1032017欧洲第一台潮汐能发电制氢装置产氢能力：220kg/day电解槽ITM

Power公司提供

PEM电解水制氢的工业应用目前碱性水电解制氢再工业上的大规模应用较多，PEM电解水制氢的工业应用项目还比较少

加拿大Hydrogenics公司2018年为挪威Haeolus风力

制氢项目提供装机2.5MW的PEM水电解制氢设备

2019年将向德国交付产氢400kg/day的加氢站，加

氢站电力来源当地垃圾焚烧产生的剩余电量。2017欧洲第一台潮汐能发电制氢 PEM电解水制氢的工业应用104阴极端板阳极端板垫圈阴极扩散层

阳极扩散层

膜负载催化剂阳极端盖/储水槽PEM电解槽浙江大学PEM电解水制氢实验装置

氢气分析仪电化学工作站阴极端板阳极端板垫圈阴极扩散层105暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H、小分子有机酸2HCO2、2优点底物多元化底物转化率、产氢率提高2-3倍1.3

生物质制氢暗发酵光发酵原料糖、淀粉、纤维素小分子有机酸终端产物H、小分106

2010年全国大学生节能减排竞赛一等奖生物质暗光发酵耦合产氢和CO2综合利用系统②①⑥③④⑤6

2

3

6光

2

2

3

2（1）

CH

12O

2HO2CHCOOH+2CO

4H总反应：

H

1O

2

2

6C62

H

2（2）2CHCOOH4HO

4CO

8H

(3)6CO2

+6HO

O=C

OH12O6+6

O2总反应：H2O=H2+0.5O2 2010年全国大学生节能减排竞赛一等奖②①⑥③④⑤6107国家重点研发项目：杭州环境集团餐厨垃圾

厌氧发酵联产氢气和甲烷示范工程

技术关键：500m3产氢发酵罐连续稳定运行，以及产氢罐和产甲烷罐耦合国家重点研发项目：杭州环境集团餐厨垃圾技术关键：500108生物天然气开汽车的示范工程日产生物天然气量6万m3/天，可供应南宁市2000辆出租车代油使用(目前已实际运行400辆)，则每辆出租车节省燃料费3000元/月。燃气比燃油减排CO和HC量约70-90%，减排SO2量90%，减排NOX量39%，减排PM2.5量30-40%，减排CO2量24%。

19生物天然气开汽车的示范工程日产生物天然气量6万m3/天，可供109研究团队循环能源利用效率对比最高最合理Goldsteinetal.51%33%~36%Kasaharaetal.57%34%Leeetal.47%~48%ZJUSIcycle51.1％ZJUopenloopcycle66.79%热化学硫碘开路循环将反应温度从950℃降低至500℃，实现H2SO4和H2联产系统效率达66.79%；采用电厂供热的氢气成本为8.17元/kg，可利用冗余水电和风电等进行电解水制氢（传统，成熟，电耗高），发展下游新能源汽车产业。1.4

热化学循环分解水制氢

热化学硫碘循环水解制氢(1)

I2+

SO2

+

2H2O

→

H2SO4

+

2HI(2)(3)H2SO4

→

SO2

+

H2O

+

1/2O22HI

→

I2

+

H2研究团队循环能源利用效率对比最高最合理Goldsteinet110浙大已建成50

L/h热化学循环制氢系统三大模块设备：Bunsen反应、HI分解、硫酸分解模块浙大已建成50L/h热化学循环制氢系统三大模块设备：Bun111

电网公司风光电解水制氢储能前景广阔现阶段基于H2化学能的大规模风光储能：碱性电解

槽H2高压

储存SOFC发电电网压缩电网

中长期风光电解水制氢储能研发方向：

PEM聚合物电解槽，提高能量效率>90%以上；

SOFC固体氧化物燃料电池，提供能量转换效率>80%(充分余热回收）；

经济可靠的液体或固体储氢技术；

H2能耦合峰谷电、风光电，实现整体储能效率>60%。

新型的经济制氢方法，加氢站的设计及建设布局。 电网公司风光电解水制氢储能前景广阔碱性电解H2高压SOF112二、氢能储运安全2.1全球燃料电池汽车加氢站现状23二、氢能储运安全23113日本、美国和欧洲的加氢站规划24日本、美国和欧洲的加氢站规划24114我国目前加氢站的建设情况25我国目前加氢站的建设情况25115

干燥系统氢气压缩系统调压（计量）装置

加气系统高压区中压区低压区储气系统

气源氢燃料电池

汽车加氢站主要设备：泄气柱、压缩机、储氢罐、加气机、管道、控制系统、氮气吹扫装置及安全监控装置加氢站工艺流程26 干燥系统调压（计量）装置高压区储 气源加氢站主要设备：泄气116美国能源部2020年储氢技术目标储氢用氢常温常压下氢气密度:

0.089

g/L6kg氢气的体积：5米直径的球提升压力至700

bar:

150

Lgravimetric

capacity:

5.5wt%volumetric

capacity:

40g/Loperating

temperature:

-40~60ºCmax.

delivery

pressure:

12

bar

制氢27美国能源部2020年储氢技术目标储氢用氢常温常压下氢气密度:117

储氢技术：安全高效、高密度、低成本

（绝大多数加氢站和氢能源汽车都采用高压储氢）1、高压容器储氢(35~70MPa)，

储氢密度1.0~5.7wt.%

优点：储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、

充装和排放速度快，技术成熟成本低

缺点：安全要求高，体积储氢密度较低

应用：绝大多数氢能汽车、燃料电池电站、

通讯基站应急备用电源、加氢站2、低温液氢储存（-253℃），

储氢密度5.7wt.%

优点：体积储氢密度高、液态氢纯度高

缺点：液氢成本高、热漏损耗能大、设备结构复杂

应用：航天试验液氢燃料，民用少3、金属氢化物储氢，储氢密度1.0~4.5wt.%

优点：氢纯度高、体积储氢密度大、使用安全；

缺点：重量储氢密度低，成本高、吸放氢对温度要求

应用：未来重要发展方向、燃料电池氢源系统28 储氢技术：安全高效、高密度、低成本28118储氢技术原理方式对比车载气态储氢罐液态储氢罐固态材料储氢体积密度低需要高压力压缩氢气能耗较高体积密度高(70g/L)压缩冷却液化能耗更高(约1/3所制得液氢的燃烧热值)

金属镁储氢密度潜在能力高但综合性能距离目标值仍然很远

29储氢技术原理方式对比车载气态储氢罐液态储氢罐固态材料储氢体积119压缩氢气与储氢材料性能对比压缩氢气与储氢材料性能对比120工况：常温、高压、高纯氢气特征：材料塑性降低、裂纹扩

展速度加快2.2

高压储氢：常温高压氢脆是技术瓶颈31工况：常温、高压、高纯氢气2.2高压储氢：常温高压氢脆是技121金属材料氢脆过程Oxide

filmImpurity

moleculeH

moleculeH

with

GBH2

pressure：HydrogenH

with

vacancyH

with

dislocationH

withPrecipitate/InclusionH

with

SFPlastic

blunting

StresstriaxialityDiffusionDiffusionAdsorption32金属材料氢脆过程OxidefilmImpuritymol1222017年12月发布，2018年7月实施

工作压力：25/35/50/70Mpa

A类≤35MPa，

B类＞35MPa

水容积：A类≤450L；

B类≤230L

设计使用年限：

A类15年；

B类10年

使用温度：-45~80℃2017年12月发布，2018年7月实施123

浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术研制成功高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器及安全性能检测装置。创新性提出了全多层高压容器结构，将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合。34 浙江大学研发的纤维全缠绕高压储氢技术34124

35MPa车载储氢和45MPa站储氢技术建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构－材料－工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄（0.5mm）铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术，实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。35 35MPa车载储氢和45MPa站储氢技术35125高压储氢的技术标准要求金属材料与高压氢环境相容性：为使高压氢系统长寿命、安全、可靠地运行，世界各国标准均要求金属材料与高压氢环境具有良好的相容性。测试要求：测量氢致裂纹应力强度因子

KIH、疲劳裂纹扩展速率等。

国家/国际标准制订:国家标准

氢系统安全基本要求（国家标准计划编号：20083230-T-469）国家标准

车载纤维全缠绕高压储氢气罐

（国家标准计划编号：20074743-Q-469）国际标准

站用高压氢气储罐（国际标准提案编号:

ISO/TC197

N

436)

与法国液空公司（Air

Liquid）等国际名企一起，将我校自主研发的“全多层多功能高压氢气储罐”纳入国际标准。国际标准

轻型燃料电池车用低压储氢容器

36高压储氢的技术标准要求金属材料与高压氢环境相容性：为使高压126物理吸附储氢基于分子间作用力需要较低温度和较高压力化学吸附储氢基于原子间的化学键合力需要较高温度实现循环较理想的储氢反应温度：100ºC附近较理想的储氢反应压力：10

atm

左右2.3

固体材料储氢动力学，速度—功率可逆性，可逆程度材料工作寿命其他实际因素考虑：成本，安全

至今仍未有完美

的储氢材料！

37物理吸附储氢较理想的储氢反应温度：100ºC附近2.3127不同储氢材料的储氢能力比较技术关键：体积密度重量密度可逆性38不同储氢材料的储氢能力比较技术关键：38128储氢材料的热力学性能The

van’t

Hoff

equation39储氢材料的热力学性能Thevan’tHoffequat129

储氢材料的动力学性能

Kinetic

properties

Kinetic

process

Different

kinetic

models

Reaction

barrier:

Activation

energy金属-氢反应过程中体系自由能变化

More

difficult

during

dehydrogenation

than

hydrogenation

40 储氢材料的动力学性能金属-氢反应过程中体系自由能变化130

传统合金储氢材料

AB5

-

LaNi5

(MmNi5-xMx)

储氢量1.5wt%、动力学好、较贵AB2

-

ZrCr2

(Ti1-xZrxCrMn)

储氢量2.0wt%、动力学好、昂贵、难活化AB

–

FeTi

储氢量1.8wt%、动力学好、易中毒、歧化A2B

-

Mg2Ni

储氢量3.6wt%、动力学差Mg

储氢量7.6wt%、动力学很差

（约400oC、

30

atm)Ni-MHBatteries41 传统合金储氢材料Mg储氢量7.6wt%、动力131近年发展的物理吸附储氢材料

Carbon,

MOFs,

zeolites,

porous

polymers,

…

Adsorption

enthalpies:

~2-5

kJ

/

mol

H2

Liquid

N2

temperature

Capacity

limited

by

specific

surface

area

(SSA),

pore

structure

and

pore

sizes

Ideal

materials:

High

SSA,

pore

size

<

1

nm

Better

measured

with

up

to

2~10

MPa

H2,

using

IUPAC

“excess

hydrogen

material

capacity”.

Goal:

higher

capacity

up

to

10wt%

at

2-3MPaH2

uptake

capacities

at

77K

and

BET

surface

areas

ofvarious

MOFs

42近年发展的物理吸附储氢材料Carbon,MOFs,132

近年发展的化学储氢材料

Hydrolytic

Hydride

Systems

氢化物水解体系

NaBH4:

Usually

irreversible

Reversible

Hydride

Systems

可逆储氢体系

Interstitial

Metal

hydrides

AB5

(LaNi5),AB2

(A=Ti,

Zr,

Mg;

B=V,

Cr,

Fe,

Mn),AB3

…

Salt-like

MgH2:

high

cap.,

low

cost,

env.

friendly,

good

reversibility

NaAlH4

Irreversible

Hydride

Systems

非可逆储氢体系

LiAlH4,

LiBH4,

Mg(BH4)2

Amine-BoraneAdducts:

NH3B3H7,

胺硼烷

Amides/Imides氨基化合物，酰亚胺等43 近年发展的化学储氢材料Amine-BoraneAd133三、氢燃料电池系统

化学总反应式

：2H2

+O2

=2H2O

+

电

+

热氢燃料电池是将氢气和氧气化合产生电、水、热的电化学装置。只要保证燃料供给，氢燃料电池将会连续发电。整个化学反应过程安静、无污染，电池效率比化石燃料燃烧高2~3倍，能量转换效率可达80~90%。44三、氢燃料电池系统 化学总反应式：2H2+O2=2H134燃料电池分类45燃料电池分类45135五种燃料电池的优缺点46五种燃料电池的优缺点46136燃料电池的技术难点47燃料电池的技术难点471373.1质子交换膜燃料电池构造原理483.1质子交换膜燃料电池构造原理48138PEM

fuel

cellAire-Membrane

ElectrodeAssembly

CathodeReaction

O2

+

4H+

+

4e-

2H2OGas

Diffusion

LayerGas

Diffusion

LayerH2Bipolar

plateBipolar

plateLoad

Anode

H+Cathode

AnodeReaction2H2

4H+

+

4e-NISTPlatinum

CatalystCarbon

black质子交换膜燃料电池的阴阳极反应49PEMfuelcellAire-MembraneAsse139质子交换膜燃料电池的结构组成NREL50质子交换膜燃料电池的结构组成NREL50140

质子交换膜

PEM(proton

exchange

membrane)作用：电解质，传导质子，隔离反应气体要求：稳定不降解，高效传导质子，不传电子，气体渗透系数低，溶胀系数小，强度高材料：

Nafion

Dow膜，复合膜，BaM3G膜51 质子交换膜51141催化层CL

(Catalyst

layer)作用：燃料电池反应关键，催化剂以及催化剂载体形成的薄层；要求：导电性好，载体耐蚀，催化活性大；材料：Pt/C,Pt-Ru/C载体材料C：纳米颗粒碳，碳纳米管，碳须最先进的技术是3M的催化剂“小麦”种植技术催化剂最先进的是“壳核”结构

52催化层CL(Catalystlayer)作用：燃料电池142气体扩散层GDL

(gas

diffusion

layer)

作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水

要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，

稳定性高不降解，强度高

材料：石墨化碳纸或碳布53气体扩散层GDL(gasdiffusionlayer143流场板FP(Flow

Plate)对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate作用：气体分配，集流，导热，密封要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本材料：石墨，合金54流场板FP(FlowPlate)对于水冷流场，又称为双极144GM

FCUS

fuel

cellBMW，5

GT丰田燃料电池系统集成55GMFCUSfuelcellBMW，5GT丰田燃料电145HD6

ballardIntellagent

energyFlow

Cath新源动力燃料电池系统集成56HD6ballardIntellagentenergyF146燃料电池系统集成57燃料电池系统集成571473.2

车用燃料电池系统工作原理3583.2车用燃料电池系统工作原理358148车用质子交换膜燃料电池的工作原理59车用质子交换膜燃料电池的工作原理59149