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安全的儲氫、運氫、供氫技術(shù)解決方案

　　安全的儲氫、運氫、供氫技術(shù)解決方案　　—北京東方紅升新能源應用技術(shù)研究院有限公司　　2019年，氫能源被首次寫入我國《政府工作報告》，氫能因此成為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。　　2020年9月22日習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話指出：“應對氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是保護地球家園需要采取的最低限度行動，各國必須邁出決定性步伐。中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和 ”。　　氫能具有能量密度大、熱值高、儲量豐富、來源廣泛、轉(zhuǎn)化效率高等特點，是清潔的二次能源，可以作為高效的儲能載體。氫氣是推動全球綠色低碳轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)我國“碳中和”目標的重要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐。　　 ? 　　氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899kg/m3，只有空氣密度的1/14，因此其高密度儲存和運輸一直是一個世界級難題。氫能的存儲有以下方式：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫等;氫輸運又分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。這幾種儲氫方式有各自的優(yōu)點和缺點。20MPa氫拖車運輸技術(shù)成熟，是國內(nèi)最普遍的運氫方式，但運輸效率僅為1.1wt%，適用于小規(guī)模、100km內(nèi)的短途運輸，一臺長管拖車的成本約為160萬元。　　 ? 　　氫能目前還存在氫氣的儲存困難、運輸困難、儲運價格高、安全隱患大、基礎(chǔ)設施建設投資高昂等瓶頸問題，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“痛點”和瓶頸問題。　　國際能源署規(guī)定, 實用的儲氫系統(tǒng)其質(zhì)量儲氫密度必須達到5wt%, 而且體積儲氫密度也要求大于40kg/m3。美國能源部(DOE)提出的車載氫源的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度分別為6.5wt%和62kg/m3。　　北京東方紅升新能源應用技術(shù)研究院有限公司致力于提供安全的儲氫、運輸氫、供氫的技術(shù)解決方案。　　一、有機液相儲氫、運輸氫、供氫安全的技術(shù)解決方案　　將氫分子與有機液體儲氫載體(LOHC)進行化學結(jié)合，有機液體載氫體(LOHC)技術(shù)將氫氣“儲存”于液體中，實現(xiàn)安全的儲、運、供過程。這種基于化學反應法的液體有機氫化物儲氫技術(shù)以其儲氫量大、能量密度高、液態(tài)儲運安全方便等優(yōu)點引起了很多國家的關(guān)注，該技術(shù)被認為是液化或者高壓儲氫的替代方法，有望在未來氫能儲運中發(fā)揮重要作用。　　北京東方紅升研究院研發(fā)出了與柴油性質(zhì)類似的多組分有機物儲氫載體，物性類似于超低凝柴油，在寬溫度范圍內(nèi)呈油狀液體，安全級別高、化學穩(wěn)定性好、低溫流動性好、儲氫量高達6.3~6.5wt%，與現(xiàn)有油品輸運基礎(chǔ)如運油車、儲油罐、油庫、管道等設施兼容; 　　東方紅升研究院與中國石油大學(華東)合作研發(fā)出了亞納米級高活性加氫催化劑、脫氫供氫催化劑，實現(xiàn)氫氣與LOHC的高效儲氫、供氫反應。　　 ? 　　研究院還研發(fā)出了撬裝式、集裝箱式有機液相供氫裝置，分為S小型、M中型、L大型三種供氫裝置。S小型日產(chǎn)氫100公斤，M中型日產(chǎn)氫500公斤，L大型日產(chǎn)氫1000公斤?？梢越o加氫站安全、經(jīng)濟的提供高純氫，氫氣純度滿足氫燃料電池的技術(shù)指標要求。　　 ? 　　二、安全、高體積高質(zhì)量密度的儲氫及車載供氫技術(shù)解決方案　　光纖儲氫是顛覆性的安全儲氫技術(shù)，氫氣存儲于一根根非常細小的光纖管中，每根高純石英光纖管的直徑只有幾微米，卻能承載非常大的壓強，把一根根細小的光纖管組合在一起構(gòu)成儲氫模塊，再把儲氫模塊疊加組合成大的儲氫模組件，而且儲氫模塊和模組件的大小和形狀可隨意設計加工。用光纖陣列構(gòu)成的儲氫模塊和模組件存儲和運輸氫氣是非常安全的技術(shù)，光纖儲氫系統(tǒng)把每一根細小的光纖管作為單一壓力容器，由于單根光纖儲氫量極少，氫氣泄漏不能形成爆炸環(huán)境。　　光纖儲氫技術(shù)的質(zhì)量儲氫量非常高，可達到10-15 wt%，遠大于目前的所有儲氫技術(shù)。　　 ? 　　 ? 　　 ? 　　技術(shù)創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：　　(1)安全性高，相對于高壓氫氣儲罐而言，光纖儲氫技術(shù)由無數(shù)細小的抗壓高純石英管組合在一起，形成一個超強的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。每一根細小的光纖管作為單一壓力容器，由于單根光纖儲氫量極少，氫氣泄漏不能形成爆炸環(huán)境。　　(2)光纖儲氫技術(shù)連接便捷、充氫迅速(以秒計)、模塊化可替換。光纖儲氫為模塊化構(gòu)成，把一根根細小的光纖管組合在一起構(gòu)成大的存儲模塊組件，再把存貯模塊組件疊加組成大的模組件，模塊替換非?？旖莘奖恪? 　　(3)光纖儲氫技術(shù)為模塊化結(jié)構(gòu)，儲氫裝置的形狀、尺寸與容量可以隨意設計和安裝。　　(4)光纖儲氫技術(shù)的存儲單元為高純石英構(gòu)成的光纖管，不易受環(huán)境影響與腐蝕，氫氣長期儲存于光纖管中不會泄漏。　　(5)光纖儲氫技術(shù)的存儲單元為高純石英管，光纖管可回收再利用，既環(huán)保又無毒無污染。　　(6)光纖儲氫技術(shù)的質(zhì)量儲氫量非常高，可達到10-15 wt%，遠大于目前的所有儲氫技術(shù)。　　三、消氫消納技術(shù)簡介　　隨著氫能的普及和應用，加氫站、燃料電池、氫氣生產(chǎn)和儲運等各個環(huán)節(jié)都得到了快速的發(fā)展。氫氣屬于易燃易爆氣體，在封閉的環(huán)境中，氫氣會在封閉空間頂部分層聚集，當氫氣濃度達到4.0%～75.6%時，會產(chǎn)生燃爆風險，氫氣在制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險，因此氫安全是氫能應用和大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要前提之一。針對以上問題，北京東方紅升應用技術(shù)研究院和北京科技大學經(jīng)過合作研究開發(fā)出氫氣消納技術(shù)。在常溫下，通過催化反應使氫氣與氧氣發(fā)生反應生成水，從而消除氫氣累積的風險。　　消氫消納技術(shù)產(chǎn)品特點：　　(1)催化效率高達95%以上; 　　(2)啟動濃度低到1%; 　　(3)適用溫度范圍廣，室溫~300℃，無需外部熱源加熱; 　　(3)抗中毒性能好，水蒸氣、碘蒸氣、氣凝膠和CO等雜質(zhì)對其性能影響小; 　　(4)設計靈活，可根據(jù)實際需求設計為各種形狀，安裝于密閉空間的各個位置。　　四、甲醇重整制氫分布式供氫技術(shù)解決方案　　由于甲醇重整具有體積小、重整溫度低、能耗小、原料易得、安全等特點，在現(xiàn)場制氫給燃料電池汽車提供氫源時，不僅解決了運輸問題，并且在安全和經(jīng)濟方面也有一定的優(yōu)勢，是目前國內(nèi)最易實現(xiàn)的燃料電池氫源載體之一。　　(一)甲醇來源可靠，是最好的重整制氫原料。中國的甲醇產(chǎn)能8500多萬噸，并且分布很廣。甲醇儲氫量高達12.5wt%，甲醇與水重整制氫可以釋放18.0wt%以上的氫氣。　　(二)甲醇液相運輸，可利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設施。人類已投資幾萬億美元建設了液體燃料基礎(chǔ)設施，這些基礎(chǔ)設施不會輕易放棄，甲醇制氫路線，可以很好地將已有的加油站等設施利用起來。　　(三)甲醇分布式制氫。基于甲醇制氫技術(shù)的特點，可在站內(nèi)制氫，現(xiàn)制現(xiàn)用;也可在化工園區(qū)集中制氫，再通過短距離運輸(<100km)至加氫站，兩種應用方式都具有切實的可行性。　　甲醇重整制氫分布式供氫技術(shù)解決方案的優(yōu)勢：　　(1)集成化、撬裝化、占地面積小高度集成化、撬裝化，占地面積小，100Nm3/h的制氫機占地面積僅為同規(guī)模工業(yè)天然氣制氫裝置的十分之一; 　　(2)型號多、功能全從3Nm3/h~100 Nm3/h的16個標準化產(chǎn)品，型號最全，同款設備可同時實現(xiàn)流量、壓力、純度、加熱方式可調(diào); 　　(3)技術(shù)創(chuàng)新程度高首次應用蓄熱技術(shù)，并整合了余熱利用、催化供熱、換熱等技術(shù)，整機熱效率由50%提高到80%以上; 　　(4)核心催化劑自研，壽命更長制氫催化劑自研，壽命長達15000小時以上，為傳統(tǒng)制氫催化劑的1.5~2倍; 　　(5)無焰燃燒催化劑可實現(xiàn)甲醇、氫氣常溫起燃; 　　(6)全流程防爆，安全程度更高設備全流程防爆設計，實現(xiàn)數(shù)字化、核心流程智能化、信息化，全自動無人值守，安全程度更高; 　　 (7)制氫模塊免用戶報備，甲醇與水的重整原料用戶免報備。即開即用，5分鐘之內(nèi)出氫，同行業(yè)制氫設備開機至出氫需要30分鐘左右。

有機液相儲氫技術(shù)

氫能產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對安全、高效的氫氣儲、輸、運、供環(huán)節(jié)提出越來越高的要求，這些環(huán)節(jié)的核心技術(shù)是氫氣載體的選擇以及相關(guān)儲氫技術(shù)。目前市場營運的主要儲氫載體是高壓氫氣瓶。高壓氣瓶存在體積密度低、安全隱患難以消除、爆炸后果難以承受的問題，同時對于基礎(chǔ)設施投資要求高。在替代儲氫技術(shù)中，有機液相儲氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)前景良好。有機液相儲氫(LOHC)技術(shù)，通過空載的有機液相載氫體(LOHC-)經(jīng)催化加氫得到富氫形式的LOHC(LOHC+)，實現(xiàn)儲氫;而LOHC+經(jīng)催化脫氫回收LOHC-并釋放氫氣給需求方。

消氫消納技術(shù)

隨著氫能的普及和應用，加氫站、燃料電池、氫氣生產(chǎn)和儲運等各個環(huán)節(jié)都得到了快速的發(fā)展。氫氣屬于易燃易爆氣體，在封閉的環(huán)境中，氫氣會在封閉空間頂部分層聚集，當氫氣濃度達到4.0%～75.6%時，會產(chǎn)生燃爆風險，氫氣在制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險，因此氫安全是氫能應用和大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要前提之一。針對以上問題，北京東方紅升應用技術(shù)研究院和北京科技大學經(jīng)過合作研究開發(fā)出氫氣消納技術(shù)。在常溫下，通過催化反應使氫氣與氧氣發(fā)生反應生成水，從而消除氫氣累積的風險。　　產(chǎn)品特點　　1. 催化效率高達95%以上; 　　2. 啟動濃度低到1%; 　　3. 適用溫度范圍廣，室溫~300℃，無需外部熱源加熱; 　　4. 抗中毒性能好，水蒸氣、碘蒸氣、氣凝膠和CO等雜質(zhì)對其性能影響小; 　　5. 設計靈活，可根據(jù)實際需求設計為各種形狀，安裝于密閉空間的各個位置。 ? 研究院 Pd-Pt/金屬網(wǎng) Pd/不銹鋼 Pd-Pt/FeCrAl H2濃度 (%) 消氫效率(%) H2濃度 (%) 消氫效率(%) H2濃度 (%) 消氫效率(%) H2濃度 (%) 消氫效率(%) 1.01 91% — — — — 1 50 2.35 100 1.93 85.?0 — — 2 75 4.26 99 5.05 87.?5 4.29 91 4 88 10.10 98 10.22 89.?5 — — 10 95 ?

光纖儲氫材料及儲氫模塊和模組件技術(shù)

光纖儲氫材料及儲氫模塊和模組件技術(shù)是北京東方紅升應用技術(shù)研究院和北京化工大學經(jīng)過合作研究開發(fā)出的技術(shù)。氫的安全高效儲存是氫能規(guī)?；玫年P(guān)鍵之一，用于燃料電池汽車的車載供氫系統(tǒng)要盡可能地減少自重和占用空間，并能提供一定的燃料量，滿足行駛里程的要求。目前主要的儲氫技術(shù)有：氣態(tài)高壓儲氫、液氫儲存、金屬氫化物儲氫、吸附儲氫和復合儲氫等，其中，氣態(tài)高壓儲氫、液氫儲存、金屬氫化物儲氫是目前實際應用的主流，特別是高壓儲氫方法因其設備結(jié)構(gòu)簡單、充氫速度快、壓縮氫氣能耗少等優(yōu)點，在燃料電池汽車上應用最為廣泛。目前復合材料氫氣瓶承壓能力強，質(zhì)量輕，耐腐蝕性能好，是當前氫燃料電池汽車用氫氣瓶的首選型式。但是復合材料氫氣瓶由于壓力高，樹脂基體容易出現(xiàn)老化，樹脂基復合材料韌性低，抗撞擊性差等缺點，容易滲漏，受到恐怖襲擊或意外撞擊等破壞時，會出現(xiàn)整個儲氫氣瓶內(nèi)氫氣一次性泄漏，極易發(fā)生大規(guī)模爆炸，而且破壞殺傷面積非常大。　　光纖儲氫是顛覆性的安全儲氫技術(shù)，氫氣存儲于一根根非常細小的光纖管中，每根高純石英光纖管的直徑只有幾微米，卻能承載非常大的壓強，把一根根細小的光纖管組合在一起構(gòu)成儲氫模塊，再把儲氫模塊疊加組合成大的儲氫模組件，而且儲氫模塊和模組件的大小和形狀可隨意設計加工。用光纖陣列構(gòu)成的儲氫模塊和模組件存儲和運輸氫氣是非常安全的技術(shù)，光纖儲氫系統(tǒng)把每一根細小的光纖管作為單一壓力容器，由于單根光纖儲氫量極少，氫氣泄漏不能形成爆炸環(huán)境。　　光纖儲氫技術(shù)的質(zhì)量儲氫量非常高，可達到10-15 wt%，遠大于目前的所有儲氫技術(shù)。　　技術(shù)創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：　　(1)安全性高，相對于高壓氫氣儲罐而言，光纖儲氫技術(shù)由無數(shù)細小的抗壓高純石英管組合在一起，形成一個超強的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。每一根細小的光纖管作為單一壓力容器，由于單根光纖儲氫量極少，氫氣泄漏不能形成爆炸環(huán)境。　　(2)光纖儲氫技術(shù)連接便捷、充氫迅速(以秒計)、模塊化可替換。光纖儲氫為模塊化構(gòu)成，把一根根細小的光纖管組合在一起構(gòu)成大的存儲模塊組件，再把存貯模塊組件疊加組成大的模組件，模塊替換非?？旖莘奖?。　　(3)光纖儲氫技術(shù)為模塊化結(jié)構(gòu)，儲氫裝置的形狀、尺寸與容量可以隨意設計和安裝。　　(4)光纖儲氫技術(shù)的存儲單元為高純石英構(gòu)成的光纖管，不易受環(huán)境影響與腐蝕，氫氣長期儲存于光纖管中不會泄漏。　　(5)光纖儲氫技術(shù)的存儲單元為高純石英管，光纖管可回收再利用，既環(huán)保又無毒無污染。　　(6)光纖儲氫技術(shù)的質(zhì)量儲氫量非常高，可達到10-15 wt%，遠大于目前的所有儲氫技術(shù)。

固態(tài)儲氫材料及儲氫罐技術(shù)

過渡金屬修飾的三維石墨烯改性儲氫材料及儲氫罐技術(shù)是北京東方紅升應用技術(shù)研究院和北京科技大學經(jīng)過合作研究開發(fā)出的技術(shù)。固態(tài)儲氫具有儲氫壓力低(<5MPa)、儲氫密度高(>50kg/m3)和氫氣純度高(>99.999%)的優(yōu)勢，是一種安全高效的儲氫方式。過渡金屬修飾的三維石墨烯協(xié)同提升儲氫材料的動力學性能和循環(huán)穩(wěn)定性，且有利于儲氫罐的傳質(zhì)和傳熱性能，研究成果在全國處于領(lǐng)先水平。　　目前具備高溫型和低溫型兩個類型應用產(chǎn)品：　　高溫型：Mg系材料是高容量儲氫材料的典型代表，儲氫量達到7.6wt%，可在高溫條件下使用，但存在循環(huán)穩(wěn)定性差和動力學性能不佳的問題。在過渡金屬修飾三維石墨烯的研制基礎(chǔ)上，通過復合鎂合金，有效改善了材料的動力學性能，三維石墨烯限制了顆粒團聚，改善了循環(huán)性能，此外石墨烯良好的導熱性能也加強了復合材料的傳熱特性，有利于吸放氫反應的進行。　　低溫型：Ti系儲氫材料與目前已商業(yè)應用的稀土LaNi5固態(tài)儲氫材料類似，可在常溫常壓附近吸放氫，并具有較低的成本(僅約為LaNi5的三分之一)，較高的質(zhì)量儲氫密度1.8~2.0 wt%(相比LaNi5提升30~40%)。通過過渡金屬修飾三維石墨烯的改性，其動力學性能循環(huán)性能和傳熱傳質(zhì)性能都得以顯著提升。　　技術(shù)包括：鐵基納米材料修飾三維石墨的制備方法(ZL201810116859.7)，鐵基催化劑修飾三維石墨烯限域改性儲氫材料的方法(ZL201810116860.X)，復合材料制備儲氫罐的技術(shù)，以及應用方案(補充這次申請的船和三輪車的專利。) 　　技術(shù)創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：　　1、三維石墨烯比片狀石墨烯具有更大的比表面積、更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和更優(yōu)良的熱傳導性能，可增加氫擴散通道，防止儲氫材料顆粒的團聚，有效改善吸放氫性能和循環(huán)穩(wěn)定性; 　　2、在三維石墨烯片層結(jié)構(gòu)上合成納米鐵基合金、氧化物、鹵化物等不同種類的催化劑，促進吸放氫反應進行，催化劑與石墨烯共同作用可協(xié)同促進儲氫性能; 　　3、將納米鐵基催化劑修飾的三維石墨烯與儲氫材料的復合，無需添加導熱材料，直接壓制成塊用于儲氫罐中，有利于提高儲氫材料應用過程中的傳質(zhì)和傳熱性能，提升了儲氫罐使用性能。

DMMn

北京東方紅升新能源應用技術(shù)研究院由我院領(lǐng)銜研發(fā)的DMMn項目，己具備工程化、產(chǎn)業(yè)化的條件?，F(xiàn)就DMMn項目的情況簡要介紹如下

M15甲醇汽油

低比例M15甲醇汽油是北京東方紅升應用技術(shù)研究院和中國石油大學（華東）經(jīng)過3年多的合作研究，開發(fā)出的車用M15甲醇汽油低比例清潔替代燃料技術(shù)，在不耗水、耗電很低（無需加熱）、“三廢”可達近零排放的情況下生產(chǎn)調(diào)配成車用甲醇燃料。調(diào)配工藝過程控制水平先進，技術(shù)先進，M15甲醇汽油完全滿足各種類型汽車的使用。在關(guān)鍵應用技術(shù)上優(yōu)勢突出，研究成果在全國處于領(lǐng)先水平。M15甲醇汽油車用燃料技術(shù)通過了由全國甲醇汽油行業(yè)、汽車行業(yè)、環(huán)保行業(yè)知名專家組的鑒定。 2011年申報了國家發(fā)明專利“一種甲醇汽油復合添加劑及其制備方法與應用”，申請公布號CN201110450716.3。

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