实验室
 

氢能创新技术

 

研究方向

• On-site分布式重整制氢关键技术
 
• 固体氧化物燃料电池(SOFC)关键技术
 
• 燃料电池热电联供系统调控技术
 
• 燃料电池堆控制技术
 
• 大推力氢氧发动机再生冷却优化及热应力安全的关键技术
 
• 液化氢技术
 
• 加氢冷却技术
 
• 高效稳定的甲烷水蒸气重整制氢催化剂
 
• 质子交换膜水电解制氢技术
 
 
研究进展
 
关键技术1--on-site 分布式重整制氢关键技术
 

       分布式制氢更靠近用户端,可充分利用城市燃气管网的基础设施资源,与"集中制氢+远程输配"模式形成有效互补,满足城市加氢站、工业园区用氢等多种分布式氢能应用的需求。

       我国在高度集成的分布式制氢技术装备及应用等方面起步较晚,技术水平相对落后。日本、德国、美国在on-site分布式重整制氢技术及装备方面处于国际领先地位,代表公司有MKK、WS等。

技术原理

        甲烷水蒸气重整(Steam Methane Reform,SMR)制氢是我国工业氢的主要工艺,美国90%以上、全世界约48%的氢气采用SMR制氢工艺。SMR制氢原理:天然气经加压脱硫后与水蒸汽混合进入重整反应转化炉,在催化剂的作用下裂解重整,生成含有H2、CO2、CO等组份的转化气,转化气回收热量后,经变换将CO转化为H2,变换气再通过PSA提纯得到H2,PSA尾气返回转化炉燃烧回收热量。主要反应方程式如下:

SMR重整制氢工艺示意图

       SMR工艺的特点包括:(1)热力驱动的化学反应,(2)界面催化反应,(3)强吸热反应,(4)可逆反应。主要工艺流程包括前处理回路、热量回路、原料回路以及后处理回路。

技术优势

本团队在SMR工艺基础上,研发了新一代的on-site分布式重整制氢核心技术和装备,主要包括:

(1)以微反应器为核心的on-site重整制氢技术。

       燃料成本占SMR制氢氢气生产成本的50%左右。火用分析结果表明,转化炉中燃料燃烧过程、SMR反应过程的火用损失占总火用损的80%以上,是SMR工艺节能的重要环节,以微通道反应器为代表的高度集成紧凑式换热反应器是重要的发展趋势。

 

微通道反应器结构示意图

 

(2)以在线分离-提纯为主要创新的制氢工艺

       从反应动力学角度,实现产物中H2的在线分离,可以促进重整反应向正向进行,提高CH4的转化率的同时,减少PSA等混合气处理装置的投资和运行能耗。以复合钯膜为代表的H2在线分离提纯工艺,大幅简化on-site重整制氢工艺的同时,大幅提高装置的集成度,以及产品氢气的纯度(可达99.9999%)。

 

(左)钯膜的H2分离原理示意图                (右)工业量产钯膜(管式、片式等)

 

(3)与储氢/用氢相结合的灵活制氢工艺组合

       On-site分布式制氢的灵活特性,可以根据不同应用对H2纯度和组份的不同要求,进行制氢、分离工艺的灵活组合设计;可以分别以产氢率、甲烷转化率、一次能耗、综合能耗等为优化目标,制定工艺组合。

产品和技术服务

 On-site重整制氢装置的产氢量在300Nm3/h以内,可充分体现现场制氢的灵活、快速、高效特点,适用于分布式制氢,其技术优势包括:

  • 设备紧凑、占地面积小、靠近负荷
  • 可利用燃气站、加油站等现有基础设施
  • 启停灵活(热待机)、负荷可变
  • 原料可为天然气、石油气、煤油、甲醇等
  • 现场监控、自动运行。

应用领域

On-site重整制氢技术可灵活满足各种分布式制氢-用氢应用,包括:

  • 加氢站,可与现有的加气站、加油站共享基础设施
  • 半导体、光学等工业企业的氢气需求
  • 化工过程的用氢需求
  • 金属热处理等行业的用氢需求,等等
 
关键技术2--固体氧化物燃料电池(SOFC)关键技术
 

技术原理

        SOFC的工作原理如下图所示。在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气(H2、CO、CH4等),具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧化剂(空气),具有多孔结构的阴极表面吸附氧,使O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极,形成电流。

技术优势

        固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的能量转换装置,在汽车、家庭备用电、大型电站等领域有着突出应用优势。本团队围绕SOFC关键技术进行深入研究,对SOFC内阻、流道设计、热管理等方面进行探索,使得SOFC性能有了进一步提升。

  • 低内阻,高功率。相对于其他SOFC,采用自主研发的阳极、阴极及电解质组成的SOFC内阻低,功率密度高。
  • 电流、温度分布均匀。良好的气体流道设计着重减少气体传输压力损失,燃料分子及氧分子在反应面的分布均匀,使得电池极化损失减少,电池的电流和温度分布佳。
  • 电池一致性好。独有的热管理设计方案,使得电池组工作温度分布均匀,电池反应一致性好。
  • 启动时间短。电池启动时间短,可应用于便携式产品。
 
关键技术3--燃料电池热电联供系统调控技术
 

技术原理

        以天然气驱动的热电联产(CHP)系统是园区级别分布式系统的一种重要应用形式。在各类热电联产装置中,固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)具有模块化、效率高、环境友好、低噪声等特点,发电效率可达45%以上,且其500℃以上的高温余热可用于提供用户所需的供冷、供暖及热水需求。因此,以SOFC作为园区级别能源系统的主要供能装置具有广阔的应用前景。由于目前SOFC造价以及氢能供给价格仍然较为昂贵,提高园区级SOFC热电联供系统的能源利用效率十分重要,其优化设计和优化运行是应用中亟待解决的关键问题。

技术优势

        结合储电、储热等储能主动调节手段,从上层管理策略和底层运行控制两个维度研究了百kw级别SOFC热电联供系统的能量管理策略和多目标优化方法,为燃料电池热电联供系统的优化设计和优化运行提供指导方法:

  • 利用复合储能技术解决了负荷跟随模式下SOFC输出性能差的问题,保证全运行工况下电压、电流、温度、燃料利用率等重要参数处于理想运行区间;
  • 可有效应对负荷短期和长期尺度下的大幅变化,提高系统运行效率,一次能源节约率可达20%以上;
  • 采用智能算法实现了系统多目标优化配置,燃料电池配置容量可减少30%以上,有效减少了系统的投资回收期。

产品和技术服务

         燃料电池热电联产系统的优化运行策略和优化设计方法。

应用领域

        工业园区、产业园区、大型公共建筑分布式能源系统。

 

关键技术4--燃料电池堆控制技术
 

技术原理

        电堆是燃料电池产业发展的关键因素之一,电堆性能决定燃料电池系统性能。

        电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池电堆。电堆是发生电化学反应场所,是燃料电池动力系统核心部分。电堆工作时, 氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

        燃料电池的电化学反应过程需要通过控制系统控制物质的输入输出以及工作环境才得以进行。燃料电池堆管控系统主要控制氢气供给、空气供给、水循环系统、电池堆安全等。采用STM32芯片实现对燃料电池堆的集中式管理,包括输入捕捉、模数转换、脉宽调制、通讯等控制模块。

燃料电池系统

技术优势

       研究团队长期从事电池成组管理基础研究及关键技术开发工作,在集成控制等方面开展了相关研究。研究了电池状态监测技术,准确采集燃料电池的电压、电流和温度。根据燃料电池堆的输出电压、温度、输出电流,控制排气阀和风机动作。通过对氢源的压力采样,控制进气阀动作。

燃料电池堆控制系统结构图

产品和技术服务

      

燃料电池控制器

 

应用领域

        燃料电池车、无人机、家庭热电联产等。

 

关键技术5--大推力氢氧发动机再生冷却优化及热应力安全的关键技术
 

技术原理

        大推力氢氧发动机推力室的热流量很大,传统再生冷却结构不能满足要求。因此对再生冷却通道截面进行优化,通过湍流以及传热耦合分析,加强通道换热能力。另外利用多物理场耦合分析的方法,获得影响喉部应力集中的关键因素。

技术优势

        从多物理场耦合分析的角度,把握高压大热流再生冷却中湍流、传热以及材料热变形的内在作用,获得推力室壁面以及通道肋壁的应力分布


       

液体火箭发动机原理示意图

铣槽式再生冷却通道结构

产品和技术服务

         根据客户的不同需求,进行模型分析,综合考虑热安全防护以及应力应变,再优化热交换以及结构设计,从而提供完整的工业设备散热设计方案。

应用领域

        航天、工业冷却。

 

关键技术6--液化氢技术
 

技术原理

        随着氢能社会的到来,氢能会广泛应用在能源互联网、新能源汽车、军工国防等领域,但气氢储运仅能满足现阶段要求,要规模化应用,液化氢技术是重要发展和应用方向之一。液氢是仲氢和正氢的混合物,仲氢与正氢的化学性质完全相同,而物理性 质有所差异,表现为仲氢的基态能量比正氢低。在各种温度下正、仲氢的平衡混合物,称之为平衡氢。正、仲 氢的平衡浓度在273 k以下随温度变化而变化。温度在273 k以上的正、仲氢平衡混合物称为正常氢,由75%正 氢和25%仲氢组成。氢在液化和贮存时,由于自动催化作用,正氢会转化为仲氢并放出热量,使液氢产生蒸发 损失,所以液氢产品中要求仲氢含量至少在95%以上,即要求液化时将正氢基本上都催化转化为仲氢。

技术优势

(1)液氢储运效率的规模优势

         40英尺集装箱VS长管拖车:在200km以上远距离运输时,液氢的运输成本不到高压氢的八分之一。

(2)液氢加氢站低成本扩容的产业优势

         由于液氢储罐的高效储氢能力,200kg/d的液氢加氢站最大可扩容到2000kg/d的加能力,只需增加液氢泵、高压汽化器等辅助设备,而不需要新增储氢装置。

(3)超纯氢用户使液氢的品质优势

         液化工厂生产的液氢纯度即可达到99.999%,且很容易进一纯化,满足各种超纯氢用户大规模使用。

(4)液氢可满足所有用户用氢需求

         液氢可提供常压液氢、常温高压气氢、深冷高压气氢等燃料。

应用领域

        氢燃料电池是氢能到电能的转换桥梁,是氢能利用的重要载体,能够广泛应用在能源互联网、新能源汽车、军工国防等领域。其中, 燃料电池汽车的应用逐渐成为全球关注焦点。气氢储运满足现阶段要求,但要规模化应用,液化氢技术是重要发展和应用方向。

 

关键技术7--液化氢技术
 

技术背景

        目前氢气的加注工艺是氢气以高于车载储氢瓶的压力储存在加氢站储罐中,在压差作用下,高压氢气在经过电磁阀后在储氢瓶内膨胀,由于氢气的焦汤效应,瓶内温度上升,有可能超过目前国际标准规定的85℃,带来极大安全隐患,因此需要添加氢气冷却系统。

技术原理

        本项技术采用双循环回路制冷技术实现加氢过程的预冷,由乙二醇与水组合的混合物作为载冷剂与高压氢气进行换热,载冷剂通过循环泵输送与制冷剂进行二次换热,最终,通过流量、温度的有效监控,保证预冷温度维持在-40℃,到达高压氢气加注过程冷却的目的。

加氢站冷却系统工作原理

技术优势

(1)采用乙二醇溶液作为载冷剂进行冷却,比热容大,能够快速调整加氢过程预冷温度的波动,保证精准的预冷温度。

(2)乙二醇与水混合作为载冷剂,成本较低,节能环保。

(3)采用双循环制冷系统,安全性高。

产品和技术服务

         一体式加氢站制冷主机、载冷剂等。

         根据客户的不同需求,提高加氢站冷能优化利用整体方案、冷/热管理技术等。

应用领域

        加氢站、高压气体冷却。

 
关键技术8--高效稳定的甲烷水蒸气重整制氢催化剂
 

技术原理

        氢气作为高效、洁净的二次能源,是未来社会的主要使用能源之一。甲烷水蒸汽重整制氢因甲烷来源丰富、工艺成熟、氢气纯度高,是经济、高效的制氢技术。催化剂是重整制氢工艺中重要组成部分,对氢气的产率、纯度、生产成本具有重要影响。本团队对目前广泛使用镍基重整催化剂进行改性研究,提高催化剂抗积碳、抗硫中毒等性能,使得催化剂性能得到稳定高效发挥,产出的氢气质量高。

技术优势

(1)抗积碳能力强。将镍基催化剂负载于自主研究的不同B 位元素的烧绿石中,抑制反应过程积碳产生,并保持高活性。

(2)抗硫中毒能力强。通过钼掺杂以及制备工艺上的改善,得到抗硫中毒性强的催化剂。

(3)稳定性好。


关键技术9--质子交换膜水电解制氢技术
 

技术原理

        质子交换膜水电解制氢在原理上相当于质子交换膜燃料电池的"逆"过程,其电解池主要包括阳极、阴极、质子交换膜、集流板、流场板以及其他支撑部件。电解过程无需加入酸或碱,所需液体仅为纯水,水由阳极引入然后解离为质子和氧气,质子穿过隔膜到达阴极得电子,结合生成氢气。

技术优势

(1)对膜电极结构进行优化,电解池体积更为紧凑精简,降低了电解池的欧姆电阻,大幅提高了电解池的整体性能。

(2)采用了特殊形式电极,通过调控电极界面气泡行为,强化电极表面传质过程。

(3)提高了运行电流密度,可实现更高的产气压力,宽范围的运行电流密度更有利于配合可再生能源的波动性。

产品和技术服务

         高效质子交换膜电解槽。

         质子交换膜水电解制氢系统设计服务,根据客户的不同电流密度和电压需求,进行模型分析,综合考虑电解槽成本,优化析氢、析氧热质交换以及结构设计,提供贴合实际需求的质子交换膜制氢系统设计方案以及后续服务。

应用领域

        地面分布式储能系统 、平流层飞艇能源动力系统 、国际空间站和海军核潜艇。