“2023世界氫能技術大會”已于今年5月圓滿落幕,中科嘉鴻(佛山市)新能源科技有限公司的甲醇燃料電池雙電系統全鏈條產品(高溫質子交換膜、膜電極、電堆、甲醇燃料電池雙電系統等)獲得了廣泛關注。高溫甲醇燃料電池(HTMFCs),基于高溫質子交換膜燃料電池(HTPEMFCs)及甲醇重整制氫技術,其工作運行溫度在150~180℃,這使得它比其他類型燃料電池系統具有更多關鍵優勢,如抗毒化能力強、簡化水熱管理系統等。美國Advent Technoloies公司最新的高溫質子交換膜能夠耐受200℃的高溫,這種更高的操作溫度帶來了多種優點,如改善催化劑活性、增強燃料靈活性和增加對燃料流中雜質的耐受性。本期推文將圍繞高溫甲醇燃料電池簡介、原理及其在船舶領域的應用展開介紹。
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高溫甲醇燃料電池簡介
(1)甲醇燃料電池
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。與超級電容器、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等主流電源相比,甲醇燃料電池的比能量非常高,可超過1kWh/kg。
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,還有很多優勢:
1)作為液態燃料,甲醇的儲氫量是12.5%;
2)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;
3)甲醇的安全性明顯優于幾種常規燃料;
4)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。
(2)高溫甲醇燃料電池
氫能經濟現已得到了全球的青睞,氫氣與甲醇的區別在于產物有無二氧化碳。但隨著二氧化碳捕捉利用等技術的發展,該問題將得到改善。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研究進展緩慢,近幾年有所突破。
高溫甲醇燃料電池技術體系,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。
高溫甲醇燃料電池系統主要由重整反應器、高溫電堆、熱管理、水管理、控制單元等幾部分構成,如圖1所示。
圖1 高溫甲醇燃料電池系統工作流程
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高溫甲醇燃料電池原理
高溫甲醇燃料電池系統主要有3種技術路線:
(1) 甲醇重整+除CO裝置+低溫電堆
通過催化劑,對甲醇重整產生的混合氣中的CO進行選擇性氧化,使之變為CO2;再進行降溫處理后,以混合氣的形式進入到低溫堆的陽極,氫氣參與反應發電,其他氣體從陽極排出。整個系統的排放僅有水汽和CO2。
(2) 甲醇重整制氫+氫氣提純+低溫電堆
將獲得的氣體產物(通常含有H2、CO2、CO及水蒸氣)進行提純,獲得99.99%純度的高純氫,氫氣降溫后再進入低溫電堆發電。
(3) 甲醇重整+高溫電堆
該技術是現階段發展最快的技術路徑,已在電動車及其他特殊領域得到了眾多成功應用。
三種技術路線的主要區別在于系統中的電堆不同,導致對陽極氣體的需求差異。
高溫甲醇燃料電池系統使用的燃料為甲醇水溶液,系統化學反應主要在燃燒室、重整反應室和電堆中進行。燃燒室在啟動過程中為整個系統提供能量,為物料的氣化提供熱量,為重整腔的重整反應補充一定的能量;重整反應室的主要作用是將氣化甲醇轉化為氫氣;電堆在陰極催化劑作用下,質子、氧及電子,發生反應形成水分子。
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高溫甲醇燃料電池船舶領域應用
據梅塞尼斯公司預測,未來5年,全球甲醇需求每年將增加1400萬噸,增量主要是綠色甲醇。挪威船級社最新發布數據顯示,到今年3月底,全球已有25艘甲醇燃料船投運,81艘新建甲醇燃料船下了訂單,甲醇燃料船市場潛力有待挖掘。高溫甲醇燃料電池在船舶領域的應用探索如下:
(1)中科嘉鴻
2021年11月,以高溫甲醇燃料電池為動力電源的示范游船在佛山南海丹灶仙湖首航(圖2)。該船動力電源——高溫甲醇燃料電池由中科嘉鴻(佛山市)新能源科技有限公司(簡稱“中科嘉鴻”)研發,其核心技術源于中國科學院大連化學物理所孫公權團隊。
圖2 “嘉鴻01”高溫甲醇燃料電池動力船
2023年5月,在“2023世界氫能技術大會”的電堆、關鍵零部件制造裝備及應用專場,中國科學院大連化學物理研究所首席研究員、中科嘉鴻首席科學家王素力做了主題演講,聚焦《高溫甲醇燃料電池技術開發與應用》,闡述了甲醇燃料電池推廣應用的可行性,分享了高溫甲醇燃料電池全鏈條研發中取得的技術成果,特別是高溫質子交換膜“卡脖子”技術及其在耐毒化關鍵材料、部件等方面的創新思路及進展,并展示了單電池性能、電池系統等技術指標。
中科嘉鴻現有產品主要為額定輸出功率0.5kW-120kW、工作溫度在120~200℃的高溫甲醇燃料電池系統及相關材料、部件,并積極推進甲醇燃料電池雙電系統多元化應用,目前已在觀光車、觀光游船、清潔船、漁輔船等領域開展示范項目,并在不斷向應急電源車、貨船、分散電站、熱電聯供等多場景應用拓展,相關示例見圖3。
(c)遠洋輪
(2)上海博氫新能源科技有限公司
上海博氫新能源科技有限公司(簡稱“上海博氫”)核心產品有制氫產品(甲醇制氫機),發電產品(醇氫發電機、醇氫發電能源艙)。上海博氫開發了高溫質子交換膜燃料電池技術(圖4),可解決傳統低溫電堆內催化劑鉑電極CO中毒的問題,160℃工作溫度可以保證氫氣在電堆內反應后的產物是水蒸氣,簡化控制難度。高溫電堆使用的氫氣是由甲醇重整制備,整個過程氫氣即產即用無需高壓,安全穩定。上海博氫的甲醇重整制氫燃料電池產品涉及多個核心部件,包括電堆、膜電極、質子交換膜、碳紙、催化劑、雙極板、重整器等。
圖4 上海博氫高溫質子交換膜燃料電池
其20kW甲醇重整燃料電池模塊產品,采用甲醇重整制氫燃料電池技術,額定功率20kW,可進行疊加使用,滿足高功率應用場景的需求。具有系統效率高、CO2排放低、運行成本低、安全可靠等特點,可用于備用電源、分布式發電、車船舶等交通工具動力電源等。
(3)丹麥Blue World Technologies
2021年4月,藍界科技(Blue World Technologies)與阿法拉伐(Alfa Laval)在碳中和甲醇重整燃料電池船用系統項目上合作(圖5)。藍界科技的甲醇重整燃料電池系統是高溫質子交換膜技術(HT PEM)與甲醇重整制氫技術的結合。該項目的燃料電池測試系統輸出功率目前為200kW;隨著開發的逐步深化,該系統的模塊化設計計劃能實現5MW輸出功率。
該項目在阿法拉伐位于丹麥奧爾堡的測試培訓中心進行測試,測試的關注點在于燃料電池系統的耐久性和壽命。該測試系統以甲醇為燃料,用于探索甲醇重整燃料電池技術作為船用輔助電源的潛力。該測試項目得到了丹麥政府能源技術開發與示范項目(EUPD)的資金支持,由藍界科技、阿法拉伐、DFDS(丹麥國際航運物流公司)、Maersk Drilling(馬士基鉆井公司)和Hafnia(成品油輪公司)共同參與。三家船舶企業——DFDS、Maersk Drilling和Hafnia將為該系統的運營和商業實施提供必要支持。DFDS有從事其他燃料電池運營項目的經驗,Maersk Drilling有在特殊應用中使用輔助動力的經驗,Hafnia則提供甲醇加注和操作方面的經驗。
未來幾年,藍界科技計劃擴大生產,憑借甲醇燃料電池推進系統進一步進軍海事市場。2022年12月,藍界科技已開始制造甲醇燃料電池的輔助動力裝置(APU)系統(圖6),該系統計劃用于船舶市場,希望能替換傳統的柴油發電機組,為船舶提供電力。
其基于甲醇燃料電池的輔助電源系統原理如圖7所示。
該輔助動力裝置特征如下:
1)模塊化配置 由200千瓦機柜組成的簡單、模塊化機柜配置來提供船上所需的電力,這些機柜組合起來則可以提供兆瓦級范圍的能源負荷。
2)無需氣體凈化 燃料電池基于HT PEM技術(工作溫度為160-180°C),具有很高的抗雜質性,不需要氣體凈化。
3)余熱利用 燃料電池的部分廢熱可用于驅動甲醇重整過程,從而優化系統總效率。此外,廢熱還可用于額外的能源回收。
4)高效率 甲醇燃料電池APU系統能效將達到45%至60%。
5)凈零運行 當由可再生甲醇提供動力時,APU將是凈零運行,不會產生氧化氮、氧化硫或顆粒物排放。
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相關核心專利摘編
資料來源
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[2]暢合能源.高溫質子交換膜燃料電池(高溫PEMFC)介紹系列文章之一[EB/OL].(2023-05-18)[2023-08-01].https://zhuanlan.zhihu.com/p/630340647.
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[7]上海博氫新能源科技有限公司.產品中心-20kW模塊產品[EB/OL].[2023-08-01]. http://www.palcan.com.cn/product_5.html.
[8]Blue World Technologies. 藍界科技與瑞典公司阿法拉伐(Alfa Laval)在碳中和甲醇重整燃料電池船用系統項目上達成合作[EB/OL].(2021-04-19)[2023-08-01].https://cn.blue.world/blue-world-technologies-partners-up-with-alfa-laval-on-a-carbon-neutral-methanol-fuel-cell-system-for-shipping/.
[9]Blue World Technologies.市場應用—海事[EB/OL].[2023-08-01]. https://www.blue.world/markets/maritime/.
圖文編輯:上海海事大學TISC
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原文始發于微信公眾號(上海海事大學TISC):科技前沿速遞——高溫甲醇燃料電池技術在船舶領域的應用