PDF《甲醇制氢应用于燃料电池车的可行性及前景》

甲醇制氢应用于燃料电池车的可行性及前景 近年来,全球范围内能源形势发生了剧烈变化,能源发展趋向"高效化、清洁化、低碳化和智能化",加速推进能 源革命,减少环境污染是新时期人类面临的重要任务之一.

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2 是一种清洁、高效、可持续的二次能源,被视为人类的"终极能源",有着广阔的应用前景.早在20世纪70年代," 氢经济 "的概念就被 提出,其核心就是以氢作为 燃料.近年来,随着氢燃料电池技术的发展与进步,使 得以H2作为能源的应用飞速发展.以H2 作为燃料,通过氢燃料电池发电,可作为移动电源使用,也可用于驱动汽车、轮船、飞机等,其能量利用效率高,且 无污染排放,受到各国政府和知名汽车制造商的高度重视.中国国务院国资委主任肖亚庆表示,发展氢能和燃料电池 产业,事关中国能源发展战略,事关中国生态文明建设,事关中国战略性新兴产业布局. 当前,氢能主要应用在新能源汽车领域,即氢燃料电池车,国内外推出了多种示范车型,包括轿车、公交车、客车 、箱式货车等.氢燃料电池车的推广与应用 是一个庞大的产业链,涉及H2 的制备、储存与运输,加氢站的建设,以及氢燃料电池系统与整车的生产与集成等产业.每一个产业的发展与进步都 将直接影响氢燃料电池汽车产业的发展,因此,需要各产业技术的快速发展以及相互密切配合,才能促进氢燃料电池 车快速、稳步地走向大规模应用. 据公开资料显示,截至2017年底,全球有328座运营的加氢站,中国仅有19座,预计2018年底将会有至少23座加氢站 建成.尽管如此,相比氢燃料电池车的发展速度,加氢站的数量仍然太少,严重制约氢燃料电池车的推广与应用.清 华大学教授、中国首个国家973氢能项目首席科学家毛宗强接受《21世纪经济报道》记者专访时曾说到,加氢站是制 约中国氢燃料电池汽车发展的最主要因素.因此,加快加氢站的布局与建设,是推进氢燃料电池车发展的支撑和保障 . 加氢站H 2的来源与成本对其建设与运营方式有重要的影响.H2 的来源决定加氢站是站外供氢还是站内供氢,H2 的成本直接影响加氢站的运营和氢燃料电池车的经济性.本文针对甲醇制氢应用于氢燃料电池车的可行性,从技术进 展、经济性、节能、减排等方面进行了详细阐述,以期为氢燃料电池的发展提供决策参考. 1甲醇制氢技术与发展 1.1甲醇制氢技术 甲醇制氢技术包括甲醇裂解、甲醇水蒸气重整和甲醇部分氧化三类,具体见表1. 页面

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7 甲醇裂解技术是一项成熟的技术,在科研院所或工业上被广泛应用,通常是用来制备合成气,或通过进一步分离获 得高纯CO和H2.甲醇水蒸气重整制氢技术,即以CH3OH和H2O作为原料,在催化剂的作用下转化为H2和CO2. 该过程不仅将CH 3OH中的氢全部转化为H2,同时将H2O中的氢也转化为H2 ,按此技术,甲醇储氢质量分数达到18.75%.CH3 OH重整产物通过进一步分离后即可得到纯H2 ,在工业上应用广泛,尤其是在中小型用H2领域,该技术解决了H2 的 运输 和储存费 用高的难题,多年 来发展很快.该技术的使用条件温和 ,产物成分少,易分离,制氢规模在10Nm3 /h~10000Nm3 /h内均能实现,且产能可灵活调整,因此,对于中小型用户来说,在现场制氢,现制现用,更经济更合理.随着技术 的不断进步 ,采取甲醇水蒸气重整 制氢的规模不断扩大,2018年7月山东寿光鲁清 石化有限公司60000Nm3 /h甲醇制氢装置投产,成为目前中国规模最大的甲醇制氢装置. 甲醇部分氧化制氢技术主要是通过甲醇的部分氧化实现系统自供热,大幅提高能源利用效率,以期进一步降低制氢 成本,被认为是最有研究价值的制氢方法,目前仍处于开发中,尚未实现产业化. 在甲醇制氢三类技术中,以甲醇水蒸气重整制氢技术的H 2含量最高,且技术成熟,是当前甲醇制氢的最佳选择. 1.2甲醇水蒸气重整制氢技术的研究进展 甲醇水蒸气重整制氢技术是一项成熟的技术,在工业上已经应用多年,与其相关的技术研究也在不断进步.该技术 的核心之一是催化剂,近年来在研究上取得了较大的进步.在低温转化方面,中科院山西煤化所温晓东研究员与北京 大学马丁教授合作开发的Pt/α-MoC在150℃~190℃范围内对甲醇水蒸气重整表现出较高的催化活性,为该技术低温 转化研究提供了有效的基础数据. 在催化剂方面,众所周知,现有工业上使用的主要是Cu/Zn/Al催化剂,然而由于铜易烧结长大的特征,导致铜基催 化剂容易失活,这也是当前催化剂存在的致命弱点.作者实验室通过对现有技术及文献资料的分析总结发现,现有的 铜基催化剂在使用前均需进行预还原处理,然而在这个还原的过程中Cu就已经发生了烧结,导致催化剂未催化反应 就损失了部分活性. 据此,作者所在实验室提出了"缓释催化"的新技术,即反应前不进行预还原处理,活性中心在反应过程中逐渐释 放的 催化过程 .该技术的核心是 设计制备新型缓释催化材料,使其具 有不同的还原性能.基于此技术,以CuAl2O4 作为催化剂 ,大幅提高了铜基催化 剂的性能,如图1所示.由图1可知,与工业C u/Zn/Al催化剂相比,CuAl2O4催化剂通过缓释催化技术,催化活性和稳定性均得到了大幅度提高. 页面