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大连大学潘立卫:分布式制氢及其在氢能-燃料电池热电联供中的应用

时间:  2019-12-26 09:41  来源:  氢智会   作者:  Summer

以“未来汽车动力与能源之辩”为主题的2019上海电化学能源器件工程技术创新论坛于2019年12月15日在上海举办。论坛围绕当前新能源汽车产业发展中的热点话题,从先进动力电池、燃料电池、氢能制备与储运、到甲醇燃料及氢电混合动力系统各抒己见,为我国新能源汽车的发展献计献策,共同推动我国新能源汽车技术进步。

会上,大连大学环境与化学工程学院中科院大连化学物理研究所潘立卫发表了主题演讲,以下为演讲实录:

今天来这里跟大家分享一下我在制氢能和燃料电池方面的心得,我的报告跟前面几位报告的高大上不太一样,换一种风格。讲一下制氢,有几个关键,我的领会和体验来分享一下,最后跟大家展示一下我们实际做的应用当中的一些成果。

这个是未来的氢源社会,氢能源电池在2000年左右非常热,当时就说5年之内肯定就用上车了。做着做着由于美国当时奥巴马不支持,我们就又发现要回过头来做基础研究,做到后来发现热电联供系统。当然今天的议题在车载动力方面,在我个人认为在线应用还是在固定源领域,当然我们这种技术相通的,我们通过某些改进来转到车载领域。

可以看到企业的分布,现在氢能特别热,尤其是江浙沪一带,然后在广东,我们在大连也是相对来说比较早一点。大家都是做氢能和燃料电池的研究,我们最理想的循环水、然后分解,氢氧,然后发电,然后又生成水,无限循环。当然昨天也提到了电解水可能有某些问题。现在又提出来的概念二氧化碳,跟水生成碳氢氧化合物,这个化合物分裂成氢,来发电,又生成水跟二氧化碳,实现这样一个可持续的循环。当然如果要做到这个循环,还有很多的路要走。

因此,个人主要针对制氢,给燃料电池提供氢源。我们要怎么样的氢源呢?不做水了,我们去做化石燃料的氢,就看看化石燃料制氢有哪些呢?有醇、煤、天然气,我在这里可以很自豪的跟大家说,我们做的化石燃料制氢当中,只有含有氢的液体或者是气体,乙醇、柴油、汽油、天然气,都可以把它变成氢。当然我所谓的变成氢,并不是发一个文章,做一个催化剂这样的,而最重要的是给大家提供一个装置,拿了我的装置去,只要接上你想要的原料,就能得到你想要的氢。

有一个优势,我们看整个环节,还有制氢、储运和转化,我们希望通过分布式制氢储运这一块就不需要了,大家可以看到在开会来的那天,国内时间的周六,美国一个工厂储氢工厂发生爆炸。这几年有运氢、加氢的设备发生爆炸起火。现场现用然后直接对接上,带来安全性,也带来便利性的问题,就不用储运,能效也提高。

当然最终用在哪?就用这样的热电联供系统,这样的系统是什么特点?提供一个氢源,一个燃料电池做成一个系统,比如说在会议室开会的时候需要的电都由我们的系统来提供,而需要的热,冬天冷,暖气也来自于这个系统,还有废热的回收吸附,可以制冷,比如说到夏天,需要可能更多是冷,可以提供制冷。

为了做好这个事,就开始从源头一个一个来分析,来制氢。我这里分享的心得,我们要做好制氢的装置,目标很明确,就是要提供一个可靠的、高效的比较实用的,一定要能用,化工里面的过程,催化剂,反应器,最终还有一个系统。

首先看一下催化剂,我们做的业态的化石燃料,气态的。这里一个例子,其他也都做,这里举一个天然气的例子来讲,工业上大规模都比较成熟,但是我们要现场制氢比较小,要快速启动,刚才说了晚上睡觉可能停了,可能夏天的时候要多一点制冷,冬天多一点热,这个会变化。而且要制氢肯定要提供能量,氢要产生水蒸气反应,要吸热,因此还需要提供一些氧,这种氧化吸附,这是一个比较复杂的氛围。

好了,要做好这个事,第一要可靠,可使用性,而且目标很明确,要把催化剂活性好,而且一氧化碳要低,因为一氧化碳是燃料电池最不希望有的。那么怎么做呢?就去选了前面说的催化剂,首先是确定载体吸附氧化物,发现氧化4的结构比较好,对催化剂的热问稳定性,抗烧结活性组份在表面的分布比较均一,适合作为载体。

而且通过3价、4价之间的变化,可以很好的抑制一氧化碳的生成,因此首先以它为主的载体。但是发现一到高温的时候,做天然气的时候,一到高温700多度、800度就不行,高温稳定性就不行,储放源性能也不足。最简单的办法做催化剂,搀杂、改性,加一个元素不行再加第二个。

我们发现加的过程当中,也试了很多,发现锆的搀杂度比较好。但是同样的道理,催化剂评价可能比较高,但是用到整个系统里面去做的时候,随着稳定性长时间来用,那个装置里面用的时候,温度不像在平价控制温度窗口这么小。而且常在用,而且一旦到达那个温度稍微高一点,立马又分向,催化剂性能就不行了。

那么怎么办呢?我们简单总结一下,其实它存在的最根本原因高温稳定性不行,为什么稳定性不行?它有水,因为制氢要有水。第二个是活性中心,它跑了,弹住了,拒绝了。那么我们解决办法是两个,一个是载体,一个是活性位固定。载体可以发现,分子3它有一个融的效应,跟4锆结合,能够很好的形成水热的稳定性。我们也做了,而且很好的克服了分子3的弱势,很好的强化了氧化4的优势。而且对活性组份迁移问题,类似于一个理念,固定位的设计,等于盖房子,每一个活性位分开一个房间,把房间分开好,活性组份静止在上面,到达指定的位置。那么相互之间不可能碰到,随着时间长的运行,很好的保持在那个位置,因此能很好的保证它的活性。当然,催化剂评价好了,当然很好,但是能不能真正用呢?需要放在反应器里面,因为只有放在实际的反应器里去检验它,才能知道好不好用。

反应器的理解,什么样的情况呢?其实反应器也是比较简单,工程最关键的核心问题,大家可以看到,要制氢要吸热,无外乎要供热要平衡,该吸热的时候吸热,该放热的时候放热。作为过程加法,不管形式是裂管的还是平板的,还是套筒的都一样,如果解决不好就不行,如果解决好了可以。

我们看一个图,一般制氢过程中强氧化的过程放热速度特别快,那个吸热相对来说,制氢反应相对来说慢一点,两个平衡到不了一块,再怎么吸热,总量是一致的,但是速率不一样,因此不可避免的有这种热点。

那么我们怎么办?需要吸热的地方,那个地方通过强化传热,需要放热,放热太大的时候,即使放完热不让它传过来,把它分布在最需要吸热的地方,通过这样一个制备的设计,可以达到很好的效果。

当然我们就做了,所以把这个理念去体现到各种反应器当中,做方的,圆的,套筒,裂管的,做了很多,发现只要是在那里都是可行的,因此完全可以根据客户的要求,根据需要的形式,设计不一样的反应器。所有的反应器要做的话,基本上做了1000小时以上的实验,发现里面的分布,传热,回过来跟我们的想法还是一致的。

这样的话,还有一个理念,刚才不是说要强化吗?系统比较复杂,一般制氢过程要重整,变换7、8个换热器,是比较复杂的。那么怎么办?放在一罐里面,把刚才这个地方,合成到一个里面,下面是第一代、第二代,集中在一个里面。根据要放热的地方、吸热的地方都匹配好,发现温度窗口特别一致。这样的话负反应会小很多,就不会有这么多负副反应。当然刚才也说了,有催化剂和反应剂,同样放在系统里好,才是真的好,所以说还是整个放在系统里面。

制氢的系统可能是比较复杂的,类似于一个小的化工厂。把我们设计理念,集成度低,把几个过程集成在一起,把刚才说的7、8个过程,反应系统设成两个集成类的反应器就可以了。

我们可以看到,刚开始做的那个像反应器,实际用的时候就不行了。那么怎么办?做了一两个可以用的,这样的话通过反应器的集成、工艺的简化,通过相关专利技术的支撑,很好保证。不光是能量效益高,而且简化操作了。当然有了这个系统,回到热电联供系统,放到这个房间里。大家可能觉得上海大都市,有的是电,不需要这个。但是想想,我们说的南海问题,放到这个小岛上就会非常需要,因为我们的电相对过不去,用液体燃料相对来说更方便一点。如果用的话,我们也同样做了很多,做甲醇的、做天然气的,不一样的燃料电池,有各个不同的研究单位跟企业提供的联共系统,这个比较初期的那个。

我们可以看,我们的系统1000小时运营当中,制氢类的组份比较稳的,能量效率总体热电能量效应接近80%,就做了很多。这个就是放大演示的地方,左面是燃料电池盒子,右面是展示的区域,可以提供电,暖气,提供热水等等,你需要的能量。

我们还做了不一样,1000瓦、5000瓦,最大到7000瓦,这个是做4000瓦,2000多小时的运行情况,前面是调试,中间是稳定运行,最后是模拟六种性能的测试波动。我们发现这样运行下来,2000个小时的话对我们的装置还是比较稳定的,体现刚才一开始说的前面的理念,当然如果要再进一步应用的话,我相信还需要更长的寿命去验证它。

不管怎么样,我们得到的结论,还是有非常合理的地方,于是做了很多大的、小的,原料设计的甲醇、汽油柴油、天然气的系统,也获得了发明专利。

而且刚才那种设计理念,不光是在氢能源用,可以发现,同样的道理催化剂都是针对实际过程来用的,发现里面的催化剂有的是用来氧化的,可以发现放在尾气当中,VOC当中,放在废水治理当中,同样的利用我们的理念也可以实现。这就是刚才做的那个转化到水处理的催化剂方面,刚刚给厂家提供了三吨的催化剂。

因此,我们就非常自豪的说,从所有的化石燃料来制氢,做不一样的,可以做最开始的初级的,慢慢开始带自动化控制,然后带便携式的,到后来也是小规模生产,生产3到5台的情况,当然原料包括液体、气体。

这样的话,刚才也是提到动力空间肯定是有的,但是动力不一样,需要根本某些特定再去强化,在CHP上分散电站这块快一点,更接近于我们的应用。

最后,感谢大连大学,原来化工所的支持,感谢我们团队的支持,谢谢大家。
 



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