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        而且具有相對較高的轉換效率和環保指數見表

        2020-11-07 10:52

          跨年之際,大面積的霧霾也跨越了新年,在新年之初,就給我國帶來了沉重的環境壓力。能源結構調整,在我國已加速形成倒逼機制。如何高效、安全地使用清潔能源成為一項迫在眉睫的重大課題。

          循環經濟是指把傳統的依賴資源消耗的線形增長的經濟,轉變為依靠生態型資源循環來發展的經濟。我國高度重視發展循環經濟、建設資源節約型社會,不斷提高資源利用效率,但經濟社會發展仍然面臨著巨大的資源壓力。綠色能源和循環經濟之間是否存在內在的關系?當今科技是否已在探索解決綠色能源的同時又推動循環經濟的實現和發展?記者帶著問題歷經兩年的深入調研和走訪,在廣東一家民營企業找到了可喜的答案。

          氫能具有熱值高,清潔無污染,來源豐富等特點,演繹了自然物質循環利用、持續發展的經典過程,被公認為是人類理想的能源。氫能是取之不盡用之不竭的,除了從化石能源中獲得氫能外,還可以通過生物質能、太陽能、風能等可再生能源獲得氫氣。目前主要有三種氫能的利用方式,包括直接燃燒、通過氫燃料電池轉化為電能及核聚變。其中,通過氫燃料電池將氫能轉化為電能是效安全的使用方式,通過電化學反應燃料電池可以直接把氫能變成電能和水,不排放任何有害物質。氫燃料電池通過電化學反應,把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后,放出電子通過外部的負載到達陽極,而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)方式。氫燃料電池核心是質子交換膜(PEM),它負責把氫的質子和電子剝離開。

          氫能的開發利用已被許多發達國家列為重要國策,美、歐、日等發達國家和地區都從國家可持續發展和安全戰略的高度,制定了長期的氫能源發展戰略。我國作為國際氫能經濟和燃料電池伙伴計劃國際組織的發起國之一,于2015年在武漢召開了國際氫能經濟和燃料電池伙伴計劃第23屆指導委員會研討會議,目的是建立一種機制以實現高效合作,其重點是研討氫能和燃料電池技術的國際研究、開發、示范和商業利用。

          在化工廠中制備氫早已不是難題,但如何隨時隨地方便地使用氫成為關鍵。氫密度低的性質導致其難以常溫常壓儲存,泄漏后又有爆炸危險,氫90%左右的使用成本都用于壓儲運環節。因此,氫的儲運安全和使用成本問題成為制約氫能發展的主要瓶頸。那能否避開氫的“壓儲運”環節,把集中制氫轉變為分布式制氫,讓常壓的氫氣變得唾手可得呢?2016年3月國家能源局列入國家發布的“能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)”已經把分布式制氫納入其中。目前,分布式制氫主要包括電解水制氫、甲醇重整制氫等方式,電解水制氫是一種比較常用的分布式制氫辦法,但因制備成本比較高、損耗高、設備難以小型化,電解水制氫很難推廣應用;相對而言,甲醇重整制氫是一條便捷可行之路,直接通過化學反應甲醇可生成二氧化碳和氫。

          甲醇重整制氫需要把二氧化碳和氫進行分離,目前常用的方法是變壓吸附法(PSA法),該方式相對穩定,可產生高純度氫氣,目前業界普遍認為此法不易做到結構小型化。相比之下,可以使結構小型化的膜技術又存在成本過高(主要是催化劑成本)的問題。如此看來,膜技術的突破對于甲醇重整制氫設備的小型化將起到至關重要的作用,并可能直接影響氫能的大范圍推廣和應用。

          分布式發電是將發電系統以小規模、分散式的方式布置在用戶附近,可獨立地輸出電、熱或冷能的系統。與傳統的電站相比,分布式發電更靠近用戶,不需要高壓輸電系統,且建設快、運行費用低,具有經濟性、安全性和靈活性等特點,可減少對傳統火力發電對環境的破壞,滿足能源可持續發展的要求。提及可再生的布式發電能源,大家可能首先會想到光伏和風力,然而太陽能、風能因受地球自轉、氣候、地域等因素影響具有明顯的間歇式特點,無法直接滿足人類可持續的用電需求。此外,目前比較常見的分布式發電方式還有天然氣發電、沼氣發電、氫能發電及生物質發電等。甲醇作為一種可再生的能源,它可以通過生物質制取,可以直接用于發電,也可以轉變成氫氣發電,它是一種可再生分布式發電的能源。

          甲醇直接燃燒發電是熱能轉化為機械能,再從機械能轉化為電能,二次轉化效率過低,一般不為采用,直接甲醇燃料電池DMFC發電技術,只在2012年前后日本東芝的有關成果獲得報道,至今報道并不多見。為了更全面的了解一種可再生的分布式發電能源的可行性,記者搜集了目前已有的四種甲醇發電路徑并進行比對,發現只有把甲醇變成氫氣,再用氫氣發電的技術是成熟的,而且具有相對較高的轉換效率和環保指數(見表)。

          目前,很多專家學者都在努力攻關醇水氫燃料電池發電技術,其原理是將甲醇和水的混合溶液利用催化劑進行催化重整產生重整氣,再利用純化膜將重整氣進行提純得到高純度氫氣。為什么要使用甲醇和水的混合溶液為原料呢?甲醇(CH3OH)分子中含有4個氫原子,而水(H2O)中有2個氫原子,兩者進行混合后再進行催化反應可以得到6個氫原子,大大提高了制氫效率。

          結論似乎已經出來了,期望著有一種完全新型的新能源發電設備,該設備以能量密度高、可再生、存儲運輸方便的甲醇為燃料,該設備使用膜技術,讓設備足夠小型化,膜的成本不能高,又能夠產生高純度的氫,且性能穩定,再直接與氫燃料電池很好地對接。

          三年前,一家專注于甲醇水蒸氣催化重整氫燃料電池的應用研發和產業化的企業,“廣東合即得能源科技有限”(以下簡稱“合即得”)落戶廣東東莞。三年來,記者跟蹤了這家企業的技術創新與產業發展。

          該項技術發明人向華帶領他的團隊把甲醇水蒸氣催化重整制氫技術和氫燃料電池技術結合起來實現了一體化發電,并將該設備稱之為“水氫機”。2009年團隊研制出他們的臺樣機,并對設備進行迭代研發。如今,合即得自主研發的水氫機擁有80多個核心元器件,獨立擁有4套核心膜技術,獨立擁有目前發電效率較高的3-5-7技術(即3公斤甲醇可產5標立方氫氣發7度電)。在水氫機的應用開發上,合即得已生產出電動車移動充電寶、野營發電機等家用和商業發電機產品,同時把水氫機應用在汽車領域,將水氫機作為汽車的能源動力系統,并陸續生產出水氫警務車、水氫旅游光車等,并成功地改裝了轎車、大巴、觀光車等水氫電動車車型。

          通過近10年的研發,合即得的甲醇水蒸氣催化重整氫燃料電池發電技術取得了驕人的進步,水氫機的優勢也越來越明顯:制氫純度大于99.9999%;設備性能穩定,有關產品已連續不間斷工作11個月;實現了小型化,體積從以前的衣柜大小成現在的電腦機箱大小,30kw水氫機尺寸僅為1210×270×800mm;發電效率也大大提高,每公斤甲醇可產生2.3度電;設備可進行快速啟動和遠程操控;設備系統安全可靠,無任何高壓儲氫設備;整機基本無運動部件,噪音小于55db。

          目前,合即得向華團隊已擁有500多項專利,包括“一種基于甲醇水制氫系統的發電機及其發電方法”“一種甲醇水蒸氣重整制氫設備及制氫方法”“甲醇水制氫設備的膜分離器及其制備方法”等涉及到燃料重整、燃料電池、氫氣提純的核心專利,掌握多種燃料重整制氫的反應器研發和工程技術、的燃料電池系統集成技術及多種不同場景的多種氫氣提純和制氫生產設備工藝。2015年合即得的“新能源汽車高效安全移動制氫燃料電池研究與應用”項目獲得廣東省科技廳應用型科技研發專項資金重大項目立項支持。2016年合即得通過了中關村蘭德評價研究院20多個專家院士的評價,高度評價水氫機是氫能時代具有標志性的機器,是蒸汽機、內燃機發展進步的產物,一致肯定水氫機的廣泛應用極具社會價值和經濟價值。自2014年至2016年合即得由廣東省科學技術情報研究所查新中心出具了 “甲醇水氫燃料電池供電系統”“甲醇水制氫技術及其在發電系統的應用”“一種多組合獨立式醇水制氫燃料電池汽車的研發”等多個科技查新報告,總體結論為:未見相同的技術路線,類似技術路線的多項指標(包括設備大小、氫氣純度、發電效率、啟動時間等),未見有與其相同的文獻報道。

          此外,合即得正在努力在移動電力、應急電力、戶(野)外電力、備用電力等實現與多個行業的對接,應用場景有眾多的想象空間。在加快行業應用的同時,合即得的創新步伐還在加速,在進一步提高發電效率、進一步降低成本以及進一步小型化的同時,合即得還在積極向上游甲醇的生物質制備、分布式制備以及二氧化碳捕集等方面開展合作。

          偉大的創新來自敢想、敢做和孜孜不倦的追求。在全國科技創新政策、環境、需求日益增強的今天,科技創新更需要民族的自信。1769年蒸汽機發明屬于英國,1876年內燃機發明屬于德國,1946年計算機發明屬于美國;2009年的水氫機能否屬于中國,能否在人類科技創新的歷史上留下濃墨重彩的一筆?歷史會給出的答案。

          路徑2(DMFC)甲醇——燃料電池——電力不成熟10%—30%無排放PM2.5

          路徑4(IMFC)甲醇——氫燃料電池——電力成熟35%—70%無排放PM2.5

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