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中國氫能的一縷曙光——劉科院士談甲醇經濟與氫燃料電池

前言 

2019年07月03日,科技日報頭版頭條報道了我院院長劉科院士關于甲醇經濟和氫燃料電池觀點的采訪,該篇報道也在科技日報社總編輯劉亞東先生的個人公眾號轉發。


十幾年前,作為項目系統總監,劉科院士帶領來自UTC、尼桑和殼牌石油三大跨國公司的工程師團隊,耗資上億美金,做出了全球第一輛“車載汽油制氫的燃料電池汽車”c07彩票网平台。這一項目的成功,是當年美國行業界的一大新聞。


劉科院士親自參與和見證了美國等發達國家在氫能研發和產業化上斥巨資走過的路,失敗和成功的經驗兼有。希望能夠取其精華c07彩票网平台、去其糟粕,推動國家乃至全球相關產業的發展。

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中國氫能的一縷曙光

                       ——劉科院士談甲醇經濟與氫燃料電池


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澳大利亞國家工程院外籍院士、南方科技大學創新創業學院院長,清潔能源研究院院長,國家千人計劃聯誼會副會長劉科,和另外幾位專家、院士走進了剛剛落戶東莞的國際歐亞科學院中國科學中心“大灣區水氫科學院”。這家剛剛揭牌的“大灣區水氫科學院”,就落戶在位于東莞樟木頭鎮的“廣東合即得能源科技有限公司”c07彩票网平台c07彩票网平台。

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劉科院士察看水氫機

劉科院士俯下身去認真看了合即得公司研發生產的“水氫機”,這是一臺利用甲醇和水通過催化重整制氫然后通過燃料電池發電的機器。所以在幾年前的稱呼,還是“醇氫機”,改成“水氫機”還是在2016年合即得注冊了全系列的“水氫”商標之后,其中原因且待后敘c07彩票网平台。

劉科十幾年前就在美國研發氫能燃料電池。從美國回國前任GE全球研發中心首席科學家,在UTC等著名跨國公司任職c07彩票网平台,在加入南方科技大學之前擔任總部在丹麥哥本哈根的國際著名催化劑公司Topsoe公司副總裁。在這之前北京低碳清潔能源研究所(現國家能源集團北京低碳清潔能源研究院)副所長兼首席技術官,神華研究院副院長c07彩票网平台。2013獲得了第30屆國際匹茨堡煤炭轉化創新年度獎,領導了全球第一套車載汽油制氫裝置用于驅動燃料電池汽車研發和示范c07彩票网平台,曾連著三年(2002-2004)任由國際氫能協會及美國化工學會(AIChE)共同組織的氫能與燃料電池峰會的主席(Hydrogen Enegy & Fuel Cell Topical Conference Chair)第一個商業化的微量元素礦物質(微礦)分離裝置c07彩票网平台,第一臺燃燒100%甲醇的柴油機等多個大型項目研發c07彩票网平台。面對水氫機(劉科更希望叫它醇氫機)c07彩票网平台,劉科可謂“內行看門道”, 因為他親自參與和見證了美國等發達國家在氫能上花巨資走過的路c07彩票网平台,失敗和成功的經驗兼有c07彩票网平台。

他看了電腦機箱大小,為電動車充電的“車電寶”;看了為通信基站提供電源的供電系統c07彩票网平台;看了可以組合成電站的發電模塊;特別是看了裝在汽車上甲醇制氫通過氫燃料電池為電動車供電系統c07彩票网平台, 詳細詢問了有關技術指標……

劉科告訴記者,十幾年前,他在UTC工作時c07彩票网平台,當時UTC,尼桑和殼牌石油三大跨國公司合作c07彩票网平台,希望開發全球第一輛汽油在線轉化制氫驅動的燃料電池汽車。他作為這一項目的系統總監負責整個系統的設計c07彩票网平台,集成與自控,帶領來自上述三家跨國公司的工程師團隊,耗資上億美金c07彩票网平台,做出了全球第一輛“車載汽油制氫的燃料電池汽車”。車上加的還是的汽油c07彩票网平台,在車上用汽油和空氣中的氧及燃料電池釋放出的水蒸汽反應來制氫,用氫氣推動燃料電池c07彩票网平台。當時的技術要求是整個制氫及燃料電池系統必須縮微到汽車底盤及頂蓋以下,冷啟動必須在4分鐘內完成,因為c07彩票网平台,車上有電池可提供前10分鐘的運行,燃料電池系統啟動后在給其充電;從10%到90%的能量輸出須在5秒內完成c07彩票网平台,90%降低到10%須在1秒內完成c07彩票网平台。這對催化劑的活性c07彩票网平台,反應器的設計,系統的集成與動態控制提出前所未有的挑戰,被當初認為是化學工程及氫能領域科研的又一“阿波羅”計劃c07彩票网平台。這一項目的成功,在2003年是當時美國行業界的一大新聞。他說,汽油在線轉化制氫難度要比甲醇在線重整制氫難多了,為什么?汽油中有硫。第二,汽油轉化溫度要850度c07彩票网平台,甲醇300來度,而且甲醇中沒有硫c07彩票网平台。甲醇比汽油干凈多了。汽油在線轉化制氫的技術,我們十幾年前都做成了,甲醇在線轉化制氫沒有理由做不成;但那時為什么立項時不用甲醇?因為“頁巖氣革命”沒有發生c07彩票网平台, 天然氣太貴導致甲醇的成本太高c07彩票网平台。在合即得劉科院士看到了他提倡已久的甲醇制氫能發電的技術路線的完整系列產品c07彩票网平台c07彩票网平台。

他說c07彩票网平台,這將是氫能應用“最靠譜”的方向。劉科緊緊的握住了“水氫機”研發者向華的手!這大概是甲醇制氫發電技術路線發展歷程中,值得記錄的一握!

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交流達成共識


記者向劉科問道,面前我國乃至世界流行的大規模制氫,通過加氫站或者其他管道,將氫氣壓縮到高壓汽車儲氫罐的技術路線前景如何c07彩票网平台?

劉科對此問題顯然思考已久了,他說,第一c07彩票网平台,氫氣是世界上體積能量密度最低的物質c07彩票网平台,它只有只有靠壓縮到700公斤壓力才能提高到足夠的體積能量密度。但是請記住700公斤的壓力是什么概念?汽車輪胎的壓力才5-6公斤。工業生產煤制油需要加氫c07彩票网平台,其反應器鋼板厚度驚人c07彩票网平台。對車載的儲氫罐,因鋼材太重,只好用碳纖維。但是現在碳纖維目前還是很貴的,并且在壓縮氫氣的過程中,本身就有耗很多的能量,使用成本高這是世界業界的共識。第二,氫氣是世界上爆炸范圍最廣(4%-73%)的氣體,低于4%是安全的,高于73%只著火不爆炸,4%到73%就算,遇明火即爆炸c07彩票网平台。因此在大量的汽車停在地下停車庫的封閉空間里的城市,高壓罐裝氫氣不適合作為一個大眾的廣泛用的能源。在露天空間里面,氫氣泄漏問題不大,一旦泄露氫氣就沖上天。我們在美國做過實驗c07彩票网平台,一個氫燃料電池汽車停在那,我們拿超強步槍遠距離一槍把這個氫氣瓶打通,一條火龍直沖上天,駕駛室溫度不是瞬間升高, 駕駛員和乘客有足夠的時間逃離;但在封閉空間里c07彩票网平台,氫氣一旦泄露c07彩票网平台,因氫氣是爆炸范圍最廣,擴散最快的氣體,如地下車庫里,一輛罐裝氫車一泄漏c07彩票网平台,達到4%以后,一打電火花車就爆了,如果地庫里有許多氫罐汽車c07彩票网平台,整個樓就會毀掉。有人說高壓氫罐是安全的,但從氫罐傳輸到燃料電池中間總有連接點,任何一個連接處一旦泄露c07彩票网平台,就會有滅頂之災。最近南韓的儲氫罐爆炸、挪威的加氫站爆炸,都是這些原因。第三,氫氣又是世界上最小的分子c07彩票网平台,是最容易泄露的氣體。這么多年來大部分煉油廠的火災,也是源于氫氣泄露c07彩票网平台。所以,我建議立法不能讓有高壓罐氫汽車停在地下車庫c07彩票网平台。另外就是建設加氫站的困難。我在美國曾是能源部加氫站的項目負責人(PI)c07彩票网平台,美國加氫站在設計的時候c07彩票网平台,要求有個安全距離,它要求在一定的范圍內不能有居民樓的。我們在深圳做了一個估算,如果在深圳搞一個每天供300左右的車的加氫站c07彩票网平台,按照今天的安全標準c07彩票网平台,加氫站約需要八畝地,在深圳一畝地約一個億,約八個億建個加氫站,這輩子地價都還不完。如果在半個小時車程以外郊區建個加氫站,加氫來回一個小時,這個車就沒人買了c07彩票网平台。

美國的氫能和燃料電池技術發展,從九十年代開始到現在燒了不下幾百億美金c07彩票网平台,到目前全美的燃料電池汽車不到6000輛c07彩票网平台,日本目前也沒多少燃料電池汽車運營,目前美日也都沒有解決好這些問題。所以現在中國現在氫能很熱的時候c07彩票网平台,一方面到處在燒錢,但是一方面還要把整個氫能的系統工程想透c07彩票网平台,否則,容易在產業發展的戰略方向上出出現偏差c07彩票网平台c07彩票网平台。 


記者又問劉科,既然您認為甲醇是最好的制氫原料,那么甲醇的成本和來源可靠嗎?

劉科說道c07彩票网平台,甲醇在這個世界上是目前最好的制氫材料c07彩票网平台,這得益于世界的“頁巖氣革命”c07彩票网平台。十年前,美國的天然氣最高到17美金每百萬英熱單位。而且當時全世界都慌了,說這個世界沒有天然氣怎么辦c07彩票网平台?結果“頁巖氣革命”來了c07彩票网平台,到2010年世界突然發現了200年用不完的天然氣,美國的天然氣價格從17美金每百萬英熱單位狂跌到1.5美金每百萬英熱單位,最后現在平衡到2.5-3美元左右。就是“一個頁巖氣革命”,也使得油價從140美金狂跌到最后約35美金c07彩票网平台,最近到50-65美金之間波動。 

天然氣是制備甲醇最好的原料,比煤制甲醇更便宜,那就意味著全世界還有200年用不完的甲醇。就地把天然氣轉化成甲醇,甲醇就只有750塊1噸成本c07彩票网平台。另外從運輸來講,固體(如煤)c07彩票网平台、氣體都不可取。液體燃料永遠是人類交通運輸能源的首選,因為液體燃料c07彩票网平台,如汽油或甲醇,在陸上可以管路輸送c07彩票网平台,跨海輸送成本很低(是價格的1%左右)c07彩票网平台, 而且可以在儲罐里長期儲存c07彩票网平台。除天然氣外,在中國內陸c07彩票网平台,我們可以用我們豐富的煤資源制甲醇。天然氣和煤制甲醇都是非常成熟的技術c07彩票网平台,而且每百萬大卡甲醇的成本不到每百萬大卡汽柴油的一半c07彩票网平台。另外c07彩票网平台,中國西部目前棄風,棄電現象嚴重;用這些棄電可以把水和CO2轉為甲醇, 這樣不僅可以減低CO2排放, 還可以利用目前棄風棄電浪費掉的可再生能源,這也是原國立新加坡大學校長c07彩票网平台c07彩票网平台,沙特國王科技大學創校校長施春風院士近年來提出的甲醇是“液體陽光”的概念,也得到了中科院團隊的認可和支持。因此,甲醇還為今后從化石能源轉向可再生能源提供一條切實可行的技術路線c07彩票网平台。

談到這里,向華博士興奮地插話c07彩票网平台,劉院士談的這兩點,這也就是我改名“水氫機”的一個重要原因,就是要明確的區別罐氫的技術路線。向華當時就提出愿意與劉科院士的團隊合作,進一步完善改進甲醇在線制氫驅動燃料電池的技術在各個領域的應用。


最近,國家相關部委發文c07彩票网平台,把甲醇作為清潔能源的主要方向。

以甲醇為原料的水氫機已經在悄然拉開了產業化的序幕c07彩票网平台。

有了劉科院士和國際歐亞科學院的專家和院士的力挺支持c07彩票网平台。中國氫能源產業化的第一縷曙光,將從這里升起。

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研討交流專家合影




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文字 | 科技日報記者 龍躍梅

時間 |  2019 年 7 月


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