2021聯合國開發計劃署氫能產業大會

2021聯合國開發計劃署氫能產業大會于12月8日-10日在廣東佛山市南海區西樵山文化中心召開。該大會由國家發展和改革委員會、國家能源局指導，聯合國開發計劃署、中國國際經濟交流中心聯合主辦，廣東省發展和改革委員會、佛山市人民政府、佛山市南海區人民政府全面支持。

     本次大會以“共創氫時代，同繪碳中和”為主題，來自全球組織機構、政府部門、科研院校、氫能與燃料電池產業重點企業的眾多嘉賓共聚一堂，探討在“雙碳”背景下，中國氫能產業發展的新機遇。

     在專題論壇中，業內頂級專家對氫能產業的前沿技術研究進展進行了分享。中科嘉鴻（佛山市）新能源科技有限公司董事長孫公權受邀出席本次大會，并在仙湖技術論壇上作了《高溫甲醇燃料電池技術》主題報告。

主題報告《高溫甲醇燃料電池技術》

各位領導、專家、同仁，大家好！我叫孫公權，來自中國科學院大連化學物理研究所，也擔任中科嘉鴻公司董事長。

      今天我匯報的內容主要有以下幾個方面：首先是國家戰略需求。實現碳達峰、碳中和是我國向全世界作出的莊嚴承諾，也是一場廣泛而深刻的經濟社會變革，能源動力先行，這是義不容辭的。

     從能源安全來看，我們國家石油進口總量去年是4.56億噸，對外依存度高達70.24%，尤其是經過霍爾木茲海峽和馬六甲海峽的占總進口數量的70%，因此石油替代和潔凈能源開發迫在眉睫。

      清潔能源有很多種，風電今年我國已并網的裝機容量突破了3億千瓦，連續12年在全球排名第一；太陽能裝機容量也超過了2.5億千瓦，增長24%。目前氫能的發電量還遠低于這個值，但氫能有著特殊的戰略意義，氫氣可以燃燒，包括航天發動機，用液氫液氧，德國把氫氣輸入天然氣管道作為燃料燃燒；氫氣可以制備化學品，化工反應中的加氫反應眾多；氫氣可以發電，發電意義重大，在陸、海、空、天諸多領域均有廣闊的應用前景。

      實際上，氫能經濟是上世紀70年代美國提出，基本想法是水在地球表面的儲量巨大，我們常說“三山六水一分田”。1985年，國際上提出ITER計劃，其思路是如果能把海水里的氫提取出來，人類的能源問題就解決了。當時的想法是用核聚變。2003年我國參加ITER計劃談判，2006年正式加入，目前項目取得了很大進展。今天氫能的內涵更加豐富，氫氣的來源更廣，包括利用太陽能光解水、電解水等等。

      燃料電池1839年誕生，在應用方面，燃料電池輸出功率從次瓦級到幾十兆瓦，陸、海、空、天都有廣闊的應用前景。我們之所以考慮甲醇燃料電池，是因為在幾種主流的電源中，如超級電容器、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，甲醇燃料電池的比能量非常高，可超過1kWh/kg。

      燃料電池行業最近幾年發展迅速，技術成熟度明顯提高，商業化進程加快，今天湯老師和很多人都在談產業化問題。市場方面，目前以低溫氫燃料電池為主，復合增長率大于40%。甲醇燃料電池是后起之秀，市場份額比較低。過去幾年里，燃料電池的資本投入累計超過3千億元，新誕生企業幾千家，尤其是最近幾年國企、央企大批進入，對整個行業的發展無疑是有力地推進。國家政策持續利好，燃料電池汽車示范應用城市群目前已有三個，其中佛山市還是廣東城市群牽頭城市。

      在電動車領域，在座的可能也有參與國家的幾個五年計劃。最近國務院辦公廳印發的發展規劃賦予“三縱三橫”新的內涵，三縱包括純電動汽車、插電式的混合動力汽車、燃料電池汽車。三橫就是動力電池與管理系統、驅動電機與電力電子以及新增加的網聯化與智能化技術。

      傳統電池結構相對簡單，而燃料電池鏈條較長。就燃料而言，氣態燃料有氫氣、氨氣、天然氣，液態燃料有甲醇、乙醇、燃油等，也有固態燃料，比如輕質金屬鎂、鋁、鋅等。

      燃料電池產品開發包括關鍵材料、核心部件、系統集成等。智能管理方面，包括電池電控、能源管理、智能互聯等。最后才能真正應用到電動車輛、船舶、機站等。

     下面講講甲醇燃料的特點和經濟性。我們講氫能經濟，大家考慮的都是如何利用氫氣。氫氣常溫下是氣態，它有很多優勢但也有痛點。甲醇常溫下是液態，除了可以解決氫氣的儲存、運輸、加注等痛點之外，其實還有很多優勢。作為儲氫材料，碳氫化合物中最好的是甲烷，但是甲烷常溫下是氣態的，碳氫鍵斷裂比較困難。作為液態燃料甲醇的儲氫量是12.5%。國外儲氫材料的儲氫量約為1.4%，而國內儲氫材料的儲氫量約為1.2%-1.3%。甲醇、液化天然氣、液氨、液氫等都是液態燃料，就能量而言，甲醇單位體積的能量密度優勢明顯，甚至高于液氫。

      甲醇排放問題。甲醇反應會生成二氧化碳。隨著技術進步，二氧化碳捕捉后，通過加氫反應可再生甲醇。最近幾年國內也在倡導液態陽光，用綠氫產生碳中性的甲醇燃料。與汽油、柴油相比，甲醇的二氧化碳排放可以降低40%，硫氧化物、氮氧化物、顆粒物排放幾乎為零。

      甲醇安全性問題。由這個表可見，甲醇的安全性明顯優于幾種常規燃料。

      甲醇的毒性問題。在水中，甲醇的半致死濃度比其它燃料好得多，其毒性遠遠低于汽油、柴油等等。

      我們為什么要做甲醇燃料電池，尤其是高溫甲醇燃料電池呢？我們來看一下，氫能經濟現已得到了全球的青睞，其實如果把氫氣換成甲醇，區別就是產物有二氧化碳，但隨著二氧化碳捕捉利用等技術的發展，這也不是什么大問題。

      2006年，諾貝爾獎得主南加州大學的George Andrew Olah率先提出甲醇經濟，實際上，甲醇經濟也是氫能經濟的一部分。

      低溫氫燃料電池優勢明顯，能量轉化效率高、環境友好，其痛點是氫氣的制備、儲運、加注比較復雜，對燃料氣中一氧化碳含量比較敏感，通常小于10ppm。

      高溫甲醇燃料電池使用液態燃料，存儲、攜帶、加注比較方便。提高溫度后，一氧化碳問題幾乎可以忽略，電極反應速率倍增。但耐高溫聚合物電解質膜材料開發進展緩慢，國際上投入了大量人力財力，近幾年有所突破。

      甲醇燃料電池工作原理與常規的一次/二次電池相同，能量轉化效率高；工作方式與汽油/柴油發電機相似，只要不斷提供燃料則可持續穩定發電。甲醇燃料電池主要分為以下三種：一是直接甲醇燃料電池，我們研發了近三十年，其特點是燃料直接注入電堆，電池結構簡單、使用攜帶方便、電池能量密度較高，但能量轉化效率較低；二是甲醇通過催化重整，分離凈化后進入低溫PEMFC。由于重整氣中一氧化碳含量高達幾萬ppm，通常需要多級分離凈化，系統復雜，成本較高。三是高溫甲醇燃料電池，由于耐高溫電解質膜的誕生，電池抗一氧化碳能力大幅提升，甲醇燃料重整氣直接通入高溫電堆，省略了分離凈化步驟，電極反應速率明顯提高，近年來已成為國際研發熱點之一。高溫甲醇燃料電池技術體系與低溫PEMFC類似，包括關鍵材料、核心部件、系統集成、智能控制，以及多能源組合利用等。

      我們開展甲醇燃料電池研究開發近三十年，從電催化劑、電解質膜、膜電極、單雙極板到系統集成、智能控制等，現已完成了電解質膜、多孔電極、膜電極、電堆生產線建設。授權專利230余件，獲省部級以上獎9項，其中國家級獎項3項。

      市場應用主要有電動車動力電源，船舶動力/輔助電源，小型分散電站等，我們的策略是開發1、5、10、30kW模塊，基本可覆蓋1-120kW的實際應用。

      2016年，我們組裝了第一臺高溫甲醇燃料電池驅動的乘用車，運行結果表明，硫氧化物、氮氧化物近零排放，百公里燃料消耗費小于20元人民幣，3輛車在大連試運行，受到了專家同行的一致好評。此外，高溫甲醇燃料電池在景區車、房車、工程指揮車、應急電源車等方面應用前景廣闊。

      在船舶動力/輔助電源方面。聯合國海洋公約的頒布實施，對海洋環境要求越來越高。國際航運燃油多半采用重油，污染嚴重。

      11月8日，我們研制的高溫甲醇燃料電池游船，在丹灶仙湖下水，動力電源為25kW，輔助電源5kW以滿足照明、空調、熱水等需求。與傳統燃油相比，優勢明顯。歡迎在座各位去仙湖親自體驗。

      在小型分散電站方面，熱-電聯供的能量轉換效率較高，應用前景廣闊。

      小結：我個人認為，氫能可能是能源的終極目標，低溫PEMFC應用前景廣闊；甲醇燃料電池優勢明顯，甲醇燃料資源豐富、價格低廉，跨越油氣時代不可或缺；二次電池、低溫PEMFC、高溫甲醇燃料電池各有優缺，細分市場可能不同，但共存互補是大勢所趨；燃料電池國家政策導向持續利好，希望大家攜手并肩、通力合作、共創未來，謝謝大家。