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劉科院士談甲醇經濟與氫燃料電池:甲醇是目前最好的制氫材料
2019.07.03   點擊101次

澳大利亞國家工程院外籍院士、南方科技大學清潔能源研究院院長劉科博士,和幾位專家、院士走進了剛剛落戶東莞的國際歐亞科學院中國科學中心“大灣區水氫科學院”。這家剛剛揭牌的“大灣區水氫科學院”,就落戶在位于東莞樟木頭鎮的“廣東合即得能源科技有限公司”。

劉科俯下身去認真看了合即得公司研發生產的“水氫機”,這是一臺利用甲醇和水通過催化重整制氫,然后通過燃料電池發電的機器。所以在幾年前的稱呼還是“醇氫機”,命名“水氫機”還是在2016年合即得注冊了全系列的“水氫”商標之后,其中原因且待后敘。

劉科十幾年前就在美國研發氫能燃料電池。從美國回國前任GE全球研發中心首席科學家,在UTC等著名跨國公司任職,曾擔任總部在丹麥哥本哈根的國際著名催化劑公司Topsoe公司副總裁。回國后,先后任北京低碳清潔能源研究所副所長兼首席技術官、神華研究院副院長,現在深圳南方科技大學任職。2013年獲得第30屆國際匹茨堡煤炭轉化創新年度獎,領導了全球第一套車載汽油制氫裝置用于驅動燃料電池汽車研發和示范,曾連續3年(2002—2004)任由國際氫能協會及美國化工學會(AIChE)共同組織的氫能與燃料電池峰會的主席,主持了第一個商業化的微量元素礦物質(微礦)分離裝置、第一臺燃燒100%甲醇的柴油機等多個大型項目研發。面對“水氫機”(他更希望叫醇氫機),劉科可謂“內行看門道”,因為他親自參與和見證了美國等發達國家在氫能上花巨資走過的路,成功和失敗的經驗教訓兼有。

他看了電腦機箱大小,為電動車充電的“車電寶”;看了為通信基站提供電源的供電系統;看了可以組合成電站的發電模塊;特別是看了裝在汽車上甲醇制氫通過氫燃料電池為電動車供電系統,并詳細詢問了有關技術指標……

劉科告訴記者,十幾年前,他在UTC工作時,當時UTC、尼桑和殼牌石油三大跨國公司合作,希望開發全球第一輛汽油在線轉化制氫驅動的燃料電池汽車。他作為這一項目的系統總監,帶領來自上述3家跨國公司的工程師團隊,耗資上億美元,做出了全球第一輛“車載汽油制氫的燃料電池汽車”。車上加的還是汽油,在車上用汽油和空氣中的氧及燃料電池釋放出的水蒸氣反應來制氫,用氫氣推動燃料電池。這一項目的成功,在2003年是當時美國行業界的一大新聞。他說,汽油在線轉化制氫難度要比甲醇在線重整制氫難多了,為什么?汽油中有硫。另外,汽油轉化溫度要850攝氏度,甲醇300多攝氏度,而且甲醇中沒有硫。甲醇比汽油干凈得多。汽油在線轉化制氫的技術,我們十幾年前就做成了,甲醇在線轉化制氫沒有理由做不成;但那時為什么立項時不用甲醇?因為“頁巖氣革命”沒有發生,天然氣太貴導致甲醇的成本太高。在合即得公司,劉科看到了他提倡已久的甲醇制氫發電技術路線的完整系列產品。

他說,這將是氫能應用“最靠譜”的方向。劉科緊緊地握住了“水氫機”研發者向華的手!這大概是甲醇制氫發電技術路線發展歷程中,值得記錄的一握!記者向劉科問道,當前我國乃至世界流行的大規模制氫,通過加氫站或者其他管道,將氫氣壓縮到高壓汽車儲氫罐的技術路線前景如何?

劉科對此問題顯然思考已久,他說,一是加氫站的氫氣,是經過700公斤的壓縮氣體。因為氫氣是世界上體積能量密度最低的物質,它只有靠壓縮才能提高能量密度。但是請記住700公斤的壓縮是什么概念?汽車輪胎的壓力才5—6公斤。工業生產煤制油需要氫氣,氫氣容器需要十幾厘米厚的鋼板。對車載的儲氫罐,因鋼材太重,只好用碳纖維。但是現在碳纖維價格較高,并且在壓縮氫氣的過程中,本身就損耗很多的能量,使用成本高是全球業界的共識。另外,氫氣是世界上爆 炸范圍最廣(4%—73%)的氣體。低于4%是安全的,高于73%只著火不爆 炸,4%到73%就算遇火星也爆 炸。

因此在大量汽車停在地下停車庫這種封閉空間里的城市,罐裝氫氣不適合作為大眾廣泛使用的能源。在露天空間里,氫氣泄漏問題不大,一旦泄漏就沖上天。他們在美國做過實驗,一輛氫燃料電池汽車停在那里,拿超強步槍遠距離一槍把氫氣瓶打通,一條火龍直沖上天,駕駛室溫度不是瞬間升高, 駕駛員和乘客有足夠的時間逃離; 但在封閉空間里,氫氣是爆 炸范圍最廣,擴散最快的氣體。地下車庫里,一輛罐裝氫車一旦泄漏,達到4%以后,一打電火花車就爆了,如果地庫里有許多氫罐汽車,整個樓就會毀掉。有人說罐是安全的,但從氫罐傳輸到燃料電池中間總有連接點,哪個連接處一旦泄漏,就會有滅頂之災。

最近韓國的儲氫罐爆 炸、挪威的加氫站爆 炸,都是這些原因。氫氣又是最小的分子,是最容易泄漏的氣體。這么多年來大部分煉油廠的火 災,也是源于氫氣泄漏。所以,劉科建議立法不能讓罐氫汽車停在地下車庫。再就是建設加氫站的困難。劉科在美國是能源部加氫站的項目負責人,美國加氫站在設計的時候,要求有個安全距離,它要求在一定的范圍內不能有居民樓。他們在深圳做了一個估算,如果在深圳建一個每天供300輛車的加氫站,按照今天的安全標準,加氫站約需要8畝地,在深圳一畝地1億元,8億元建個加氫站,這輩子地價都還不完。如果在半個小時車程以外郊區建個加氫站,加氫來回一個小時,車就沒人買了。

美國的氫能和燃料電池技術發展,從上世紀90年代開始到現在燒了不下幾百億美元,也沒有解決好這些問題。所以現在中國處在氫能很熱的時候,一方面到處在燒錢,一方面還沒有把整個氫能的系統工程想透,容易在產業發展的戰略方向上出現偏差。

記者又問劉科,既然您認為甲醇是最好的制氫原料,那么甲醇的成本和來源可靠嗎?

劉科說,甲醇是目前世界上最好的制氫材料,這得益于世界的“頁巖氣革命”。10年前,美國的天然氣最高到17美元每百萬英熱單位。而且當時全世界都慌了,說這個世界沒有天然氣怎么辦?結果“頁巖氣革命”來了,到2010年世界突然發現了200年用不完的天然氣,美國的天然氣價格從17美元每百萬英熱單位狂跌到1.5美元每百萬英熱單位,現在平衡到2.5—3美元左右。就是“一個頁巖氣革命”,也使得油價從140美元狂跌到最后約35美元,最近到50—65美元之間波動。

天然氣是制備甲醇最好的原料,比煤制甲醇更便宜,那就意味著全世界還有200年用不完的甲醇。就地把天然氣轉化成甲醇,甲醇只有1噸750元的成本。另外從運輸來講,固體(如煤)、氣體都不可取。液體燃料永遠是人類交通運輸能源的首選,因為液體燃料,如汽油或甲醇,在陸上可以管路輸送,跨海輸送成本很低(是價格的1%左右),而且可以在儲罐里長期儲存。

談到這里,向華博士興奮地插話:“劉院士談的這兩點,這也就是我改名‘水氫機’的一個重要原因,就是要明確區別罐氫的技術路線。”向華當時就提出愿意與劉科院士的團隊合作,進一步完善改進甲醇在線制氫驅動燃料電池的技術在各個領域的應用。

最近,國家相關部委發文,把甲醇作為清潔能源的主要方向。

以甲醇為原料的水氫機已經悄然拉開了產業化的序幕。

有了劉科院士和國際歐亞科學院的專家和院士的力挺支持,中國氫能源產業化的第一縷曙光,將從這里升起。

科技日報
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