中国氢能的一缕曙光——刘科院士谈甲醇经济与氢燃料电池

前言 

2019年07月03日,科技日报头版头条报道了我院院长刘科院士关于甲醇经济和氢燃料电池观点的采访,该篇报道也在科技日报社总编辑刘亚东先生的个人公众号转发。


十几年前,作为项目系统总监,刘科院士带领来自UTC、尼桑和壳牌石油三大跨国公司的工程师团队,耗资上亿美金,做出了全球第一辆“车载汽油制氢的燃料电池汽车”。这一项目的成功,是当年美国行业界的一大新闻。


刘科院士亲自参与和见证了美国等发达国家在氢能研发和产业化上斥巨资走过的路,失败和成功的经验兼有。希望能够取其精华、去其糟粕,推动国家乃至全球相关产业的发展。

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中国氢能的一缕曙光

                       ——刘科院士谈甲醇经济与氢燃料电池


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澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长,清洁能源研究院院长,国家千人计划联谊会副会长刘科,和另外几位专家、院士走进了刚刚落户东莞的国际欧亚科学院中国科学中心“大湾区水氢科学院”。这家刚刚揭牌的“大湾区水氢科学院”,就落户在位于东莞樟木头镇的“广东合即得能源科技有限公司”。

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刘科院士察看水氢机

刘科院士俯下身去认真看了合即得公司研发生产的“水氢机”,这是一台利用甲醇和水通过催化重整制氢然后通过燃料电池发电的机器。所以在几年前的称呼,还是“醇氢机”,改成“水氢机”还是在2016年合即得注册了全系列的“水氢”商标之后,其中原因且待后叙。

刘科十几年前就在美国研发氢能燃料电池。从美国回国前任GE全球研发中心首席科学家,在UTC等著名跨国公司任职,在加入南方科技大学之前担任总部在丹麦哥本哈根的国际著名催化剂公司Topsoe公司副总裁。在这之前北京低碳清洁能源研究所(现国家能源集团北京低碳清洁能源研究院)副所长兼首席技术官,神华研究院副院长。2013获得了第30届国际匹茨堡煤炭转化创新年度奖,领导了全球第一套车载汽油制氢装置用于驱动燃料电池汽车研发和示范,曾连着三年(2002-2004)任由国际氢能协会及美国化工学会(AIChE)共同组织的氢能与燃料电池峰会的主席(Hydrogen Enegy & Fuel Cell Topical Conference Chair)第一个商业化的微量元素矿物质(微矿)分离装置,第一台燃烧100%甲醇的柴油机等多个大型项目研发。面对水氢机(刘科更希望叫它醇氢机),刘科可谓“内行看门道”, 因为他亲自参与和见证了美国等发达国家在氢能上花巨资走过的路,失败和成功的经验兼有。

他看了电脑机箱大小,为电动车充电的“车电宝”;看了为通信基站提供电源的供电系统;看了可以组合成电站的发电模块;特别是看了装在汽车上甲醇制氢通过氢燃料电池为电动车供电系统, 详细询问了有关技术指标……

刘科告诉记者,十几年前,他在UTC工作时,当时UTC,尼桑和壳牌石油三大跨国公司合作,希望开发全球第一辆汽油在线转化制氢驱动的燃料电池汽车。他作为这一项目的系统总监负责整个系统的设计,集成与自控,带领来自上述三家跨国公司的工程师团队,耗资上亿美金,做出了全球第一辆“车载汽油制氢的燃料电池汽车”。车上加的还是的汽油,在车上用汽油和空气中的氧及燃料电池释放出的水蒸汽反应来制氢,用氢气推动燃料电池。当时的技术要求是整个制氢及燃料电池系统必须缩微到汽车底盘及顶盖以下,冷启动必须在4分钟内完成,因为,车上有电池可提供前10分钟的运行,燃料电池系统启动后在给其充电;从10%到90%的能量输出须在5秒内完成,90%降低到10%须在1秒内完成。这对催化剂的活性,反应器的设计,系统的集成与动态控制提出前所未有的挑战,被当初认为是化学工程及氢能领域科研的又一“阿波罗”计划。这一项目的成功,在2003年是当时美国行业界的一大新闻。他说,汽油在线转化制氢难度要比甲醇在线重整制氢难多了,为什么?汽油中有硫。第二,汽油转化温度要850度,甲醇300来度,而且甲醇中没有硫。甲醇比汽油干净多了。汽油在线转化制氢的技术,我们十几年前都做成了,甲醇在线转化制氢没有理由做不成;但那时为什么立项时不用甲醇?因为“页岩气革命”没有发生, 天然气太贵导致甲醇的成本太高。在合即得刘科院士看到了他提倡已久的甲醇制氢能发电的技术路线的完整系列产品。

他说,这将是氢能应用“最靠谱”的方向。刘科紧紧的握住了“水氢机”研发者向华的手!这大概是甲醇制氢发电技术路线发展历程中,值得记录的一握!

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交流达成共识


记者向刘科问道,面前我国乃至世界流行的大规模制氢,通过加氢站或者其他管道,将氢气压缩到高压汽车储氢罐的技术路线前景如何?

刘科对此问题显然思考已久了,他说,第一,氢气是世界上体积能量密度最低的物质,它只有只有靠压缩到700公斤压力才能提高到足够的体积能量密度。但是请记住700公斤的压力是什么概念?汽车轮胎的压力才5-6公斤。工业生产煤制油需要加氢,其反应器钢板厚度惊人。对车载的储氢罐,因钢材太重,只好用碳纤维。但是现在碳纤维目前还是很贵的,并且在压缩氢气的过程中,本身就有耗很多的能量,使用成本高这是世界业界的共识。第二,氢气是世界上爆炸范围最广(4%-73%)的气体,低于4%是安全的,高于73%只着火不爆炸,4%到73%就算,遇明火即爆炸。因此在大量的汽车停在地下停车库的封闭空间里的城市,高压罐装氢气不适合作为一个大众的广泛用的能源。在露天空间里面,氢气泄漏问题不大,一旦泄露氢气就冲上天。我们在美国做过实验,一个氢燃料电池汽车停在那,我们拿超强步枪远距离一枪把这个氢气瓶打通,一条火龙直冲上天,驾驶室温度不是瞬间升高, 驾驶员和乘客有足够的时间逃离;但在封闭空间里,氢气一旦泄露,因氢气是爆炸范围最广,扩散最快的气体,如地下车库里,一辆罐装氢车一泄漏,达到4%以后,一打电火花车就爆了,如果地库里有许多氢罐汽车,整个楼就会毁掉。有人说高压氢罐是安全的,但从氢罐传输到燃料电池中间总有连接点,任何一个连接处一旦泄露,就会有灭顶之灾。最近南韩的储氢罐爆炸、挪威的加氢站爆炸,都是这些原因。第三,氢气又是世界上最小的分子,是最容易泄露的气体。这么多年来大部分炼油厂的火灾,也是源于氢气泄露。所以,我建议立法不能让有高压罐氢汽车停在地下车库。另外就是建设加氢站的困难。我在美国曾是能源部加氢站的项目负责人(PI),美国加氢站在设计的时候,要求有个安全距离,它要求在一定的范围内不能有居民楼的。我们在深圳做了一个估算,如果在深圳搞一个每天供300左右的车的加氢站,按照今天的安全标准,加氢站约需要八亩地,在深圳一亩地约一个亿,约八个亿建个加氢站,这辈子地价都还不完。如果在半个小时车程以外郊区建个加氢站,加氢来回一个小时,这个车就没人买了。

美国的氢能和燃料电池技术发展,从九十年代开始到现在烧了不下几百亿美金,到目前全美的燃料电池汽车不到6000辆,日本目前也没多少燃料电池汽车运营,目前美日也都没有解决好这些问题。所以现在中国现在氢能很热的时候,一方面到处在烧钱,但是一方面还要把整个氢能的系统工程想透,否则,容易在产业发展的战略方向上出出现偏差。 


记者又问刘科,既然您认为甲醇是最好的制氢原料,那么甲醇的成本和来源可靠吗?

刘科说道,甲醇在这个世界上是目前最好的制氢材料,这得益于世界的“页岩气革命”。十年前,美国的天然气最高到17美金每百万英热单位。而且当时全世界都慌了,说这个世界没有天然气怎么办?结果“页岩气革命”来了,到2010年世界突然发现了200年用不完的天然气,美国的天然气价格从17美金每百万英热单位狂跌到1.5美金每百万英热单位,最后现在平衡到2.5-3美元左右。就是“一个页岩气革命”,也使得油价从140美金狂跌到最后约35美金,最近到50-65美金之间波动。 

天然气是制备甲醇最好的原料,比煤制甲醇更便宜,那就意味着全世界还有200年用不完的甲醇。就地把天然气转化成甲醇,甲醇就只有750块1吨成本。另外从运输来讲,固体(如煤)、气体都不可取。液体燃料永远是人类交通运输能源的首选,因为液体燃料,如汽油或甲醇,在陆上可以管路输送,跨海输送成本很低(是价格的1%左右), 而且可以在储罐里长期储存。除天然气外,在中国内陆,我们可以用我们丰富的煤资源制甲醇。天然气和煤制甲醇都是非常成熟的技术,而且每百万大卡甲醇的成本不到每百万大卡汽柴油的一半。另外,中国西部目前弃风,弃电现象严重;用这些弃电可以把水和CO2转为甲醇, 这样不仅可以减低CO2排放, 还可以利用目前弃风弃电浪费掉的可再生能源,这也是原国立新加坡大学校长,沙特国王科技大学创校校长施春风院士近年来提出的甲醇是“液体阳光”的概念,也得到了中科院团队的认可和支持。因此,甲醇还为今后从化石能源转向可再生能源提供一条切实可行的技术路线。

谈到这里,向华博士兴奋地插话,刘院士谈的这两点,这也就是我改名“水氢机”的一个重要原因,就是要明确的区别罐氢的技术路线。向华当时就提出愿意与刘科院士的团队合作,进一步完善改进甲醇在线制氢驱动燃料电池的技术在各个领域的应用。


最近,国家相关部委发文,把甲醇作为清洁能源的主要方向。

以甲醇为原料的水氢机已经在悄然拉开了产业化的序幕。

有了刘科院士和国际欧亚科学院的专家和院士的力挺支持。中国氢能源产业化的第一缕曙光,将从这里升起。

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研讨交流专家合影




  END  


文字 | 科技日报记者 龙跃梅

时间 |  2019 年 7 月


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