氢云链，还给人类一个清洁的“粮食-水-能源”
技术前沿
- 氢云报告：长三角燃料电池汽车产业链知识产权协同创新研究
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我国能源储备较差，且结构不太合理。同时能源消费结构同样失调，煤炭消费占比超过一半，石油消费占比近20%。煤炭和石油的大量使用，不仅带来不可再生资源的巨大消耗，加剧了能源枯竭的危险，同时排放污染物对环境的影响也不容小觑。特别是使用汽柴油作为燃料的汽车，排放大量的碳氢化合物、氮氧化合物以及一氧化碳等有害气体，成为城市污染的罪魁祸首。因此作为清洁能源的氢能，其使用越来越受到重视。氢能因其不产生任何有害气体，具备优越的环保性能，使得氢燃料电池汽车成为汽车发展的终极目标，包括我国在内的各国都加大了对燃料电池汽车开发的投入。长三角地区作为我国经济发展最活跃和最开放的区域，同样引领着国内氢能产业的发展。在此区域内的燃料电池汽车产业链企业除了注重技术领先与产业化落地外，亦非常注重对未来技术的预研与知识产权的积累，但在现有燃料电池汽车产业链下，知识产权协同能力较弱，且在主要环节没有形成有效的知识产权共享和交易机制，导致产业链协同能力较差，从而影响了燃料电池汽车产业的发展。本文围绕长三角燃料电池汽车产业链知识产权活动现状以及协调工作机制中存在的问题开展研究，针对这些问题结合长三角实际情况提出具体的解决措施和政策建议，为长三角燃料电池汽车产业的发展提供决策参考。1、长三角燃料电池汽车产业现状长三角汽车产业基础雄厚，技术与资本密集，科技创新能力突出，高端人才集聚，为新能源汽车产业发展奠定了坚实的基础。长三角地方政府纷纷发布了支持新能源汽车产业发展的规划，为包括燃料电池汽车在内的产业发展创造条件。1.1燃料电池汽车产业布局从2017年9月上海市率先发布《上海市燃料电池汽车发展规划(2018—2030)》以来，地处长三角的宁波、苏州、张家港、如皋、嘉善、六安等多个城市都颁布了氢能规划，如表1所示。表1长三角出台氢能政策文件概况图1 2018年发明专利授权量排名前十汽车企业从图1可以看出，授权量前十企业，仅有2家国内企业，分别排在第六和第九位，2家企业授权量共956件，仅占排名前十企业总量的13．9%，说明国内汽车行业创新能力较弱，还有很大的提升空间。地处长三角的江淮汽车榜上有名，则从侧面反映了长三角新能源汽车知识产权储备处于国内领先水平。另外，不同汽车企业对专利布局侧重点有所不同，主要涉及新能源汽车、车身及车身附件、智能网联、发动机、电子电器、基础通用、整车制造、整车系统、变速器和制动系统等。其中，新能源汽车的专利数量最大，占比最高，达到了28．6%，北京新能源汽车股份有限公司甚至超过了50%。这充分说明国内企业已加大了对新能源汽车领域的研发投入，并注重在该领域的知识产权建设和保护。新能源汽车所涉及的关键技术专利申请表现不一，电池技术专利申请量最大，占比达56%，其次为电控技术申请，占比30%，而电机技术申请占比最小。2．2长三角燃料电池汽车产业知识产权储备长三角氢能及燃料电池汽车产业链企业在专利数量与分布特点上，均充分体现了长三角在氢能燃料电池产业链的深厚技术积累。在30多家重点企业中，氢能燃料电池汽车领域专利数超过100项的有3家企业，超过10项的有19家企业，专利总数超过1200项。申请专利前十的企业为江苏奥新新能源汽车有限公司、苏州弗尔赛能源科技股份有限公司、上海博氢新能源有限公司、张家港富瑞氢能装备有限公司、上海清能燃料电池技术有限公司、江苏氢璞创能科技有限公司、江苏伯海电驱动科技有限公司、苏州竞立制氢设备有限公司、上海燃料电池动力系统有限公司、上海重塑能源科技有限公司。截至2019年5月，上述公司专利申报数量如图2所示。
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2020-4-7 14:19
- 技术突破！上海高研院在质子交换膜电解水制氢研究中取得进展
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发展氢能的“初心”是基于可再生能源的电解水绿色制氢，但高的贵金属催化剂用量是质子交换膜电解水制氢成本居高不下的主要原因之一。中国科学院上海高等研究院杨辉团队与美国凯斯西储大学戴黎明课题组合作在氢能源研究领域取得新进展，发展了碳缺陷驱动的铂原子团自发沉积新方法，实现了电解水制氢阴极Pt用量大幅降低，研究成果以Carbon-Defect Driven Electroless Deposition of Pt Atomic Clusters for Highly Efficient Hydrogen Evolution 为题发表在J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 12, 5594-5601，论文的第一作者是上海高研院博士程庆庆，教授杨辉和戴黎明为通讯联系人。该工作中研究人员利用新颖的、碳缺陷驱动自发沉积新方法，构筑由缺陷石墨烯负载高分散、超小（< 1nm）且稳定的Pt原子级团簇（Pt-AC）水电解析氢(HER)电催化剂（图1）。理论研究表明：与完美六元环碳位点相比，缺陷碳位点具有更低的表面功函数、更高的还原能力，从而在缺陷位点处优先触发Pt离子自发沉积。碳缺陷与Pt之间更强的结合能力有效限制了自发还原Pt原子的迁移，确保超小Pt-AC的形成和稳定。上海光源同步辐射进一步验证了Pt-AC与碳缺陷之间较强的电子作用，赋予其有别于传统Pt纳米颗粒独特的电子结构。Pt-AC呈现了优异的HER电催化性能，与传统Pt/C催化剂相比，其质量比活性、Pt原子利用效率和稳定性均得到大幅提升。组装的质子交换膜水电解器件在实现安培级产氢电流的同时，阴极Pt用量降低到约1/10，且展现出优异的稳定性。本项目的进展将对氢能领域的发展和实现氢能经济具有重要的科学和实践意义。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等资助。
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2020-4-2 15:37
- 氢云观察：新光催化剂材料研制成功，可在常温下高效制备氢气
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日前，天津大学封伟教授团队成功合成新型带隙可调的二维层状锗硅烷材料。这种新材料可用作性能优异的光催化剂，在常温光照条件下高效制备氢气，还能将二氧化碳高效还原成一氧化碳。相关研究成果已在线发表于国际权威期刊《自然·通讯》。
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2020-4-1 12:05
- 氢云报告：可再生能源制氢之工业制氢技术简介
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近年来，大力发展清洁能源和可再生资源已成为各国实施能源战略转型升级的共识，氢能既可满足可持续发展要求，又能带来巨大的经济效益，是实现能源转型和脱碳目标的必由之路。我国也将氢能发展与燃料电池技术创新提升到国家战略高度，各地方政府和企业积极探索氢能产业发展之路，我国氢能与燃料电池产业快速发展。氢燃料电池行业进入商业化初期，而氢能供应和基础设施建设是支撑氢能产业快速发展的重要条件和前提。氢广泛存在于水、煤、天然气等化合物中，但地球上几乎不存在游离态的氢气。利用含氢化合物制取氢气是氢能发展和利用的基础和前提，随着石油化工、交通、电子、建筑、航天等行业的发展，未来氢气的需求量将持续增长。全球来看，目前主要的制氢原料 96%以上来源于传统能源的化学重整，4%左右来源于电解水。我国煤气化制氢、天然气重整制氢、甲醇重整制氢、工业副产氢提纯制氢和水电解制氢技术发展成熟，太阳能光催化分解水制氢、生物制氢仍处于研究和示范阶段。随着可再生能源成本的下降以及制氢规模的扩大，发展可再生能源制氢成为氢能发展的重要的途径。
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2020-3-30 17:58
- 氢云报告：家用燃料电池热电联供产品经济性的初步分析
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2019年，中央政府支持氢能产业的发展方向逐渐明确。我国2019年的《政府工作报告》提出推动加氢站等设施建设；4月，国家发改委发布《产业结构调整指导目录2019征求意见稿》提出“鼓励高效制氢、运氢及高密度储氢技术开发应用及设备制造”。国内主要能源企业也开始加速布局氢能产业。除氢燃料电池汽车外，发达国家和地区还在推广燃料电池固定式应用。美国BloomEnergy生产固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统主要用于数据中心和办公楼宇等商业用户，2017年销售量达到62MW。日本通产省制定并推动了ENE-FARM计划，由松下、东芝、爱信精机等生产商负责开发700W～750W家用燃料电池热电联供（CHP）系统。从2009年至今，共销售30万套产品。韩国可再生能源组合标准（RPS）要求，到2023年所有拥有500MW以上发电容量的国有和独立电力生产商需将可再生能源和绿色技术的发电份额增至10％。截至2018年，韩国已经部署了近300MW燃料电池电站，技术路线包括SOFC、PEMFC和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。本文分析日本家用燃料电池热电联供产品的基本经济性情况和在国内尤其是在上海商业化使用的前景。1、日本“ENE-FARM”项目1.1技术特点“ENE-FARM”译为能源农场，该“农场”的原料是天然气，“产品”是电和热，设备利用天然气重整产生氢气，作为PEMFC的燃料，发电效率可达39%，热利用效率为56%，能源综合利用率达到95%，寿命为90000h以上，不需要特殊维护，在日本属于家用电器。1.2 项目概况“ENE-FARM”计划由政府主导推动，燃气公司、制造企业、地产商和金融企业共同执行，是日本氢能社会战略的重要组成部分。自2009年，由松下、东芝、爱信等厂商研发生产，由东京燃气和大阪燃气等燃气公司向用户销售家用燃料电池热电联供产品。如图1所示，十年来各品牌产品累计销售300000套，政府每套补贴由最初的8.9万元逐年下降，直至2019年取消，产品寿命达10年。利用城市燃气重整产生氢气进行热电联供，具备灾备电源功能，在居民家中断电的情况下可供电8天。根据日本松下公司的测算，安装ENE-FARM设备后，家庭平均每年可节约3600元左右电费和燃气费，产品售价在100万日元（约人民币6.4万元）以内时，居民购买该产品具有经济性。东京民用电力价格见表2。每月电费由基础费+电量费+合同费构成。例如，一户家庭安装50A限流器，某月使用200kWh电，则电费计算公式为88.38+200×1.64+14.58=430.96（元）。表2东京民用电力价格表如表4、图2所示，普通居民和ENE-FARM用户的燃气价格均呈现用量越大、单价越低的特点，其中，月燃气用量大于30m3时，ENE-FARM用户每立方燃气价格更低。表4东京居民加入ENE-FARM计划前后每标立方燃气费图2东京居民加入ENE-FARM计划前后燃气价格2.3居民使用ENE-FARM产品的经济性ENE-FARM用户每月需承担设备折旧费和燃气费，产生电和热。假设普通居民需要分别购买电和燃气。据计算，月均燃气使用量超过77m3左右的家庭安装ENE-FARM产品有经济性，燃气用量越大，经济效果越明显，如表5和图3所示。表5东京居民安装ENE-FARM设备的经济性测算图3东京居民安装ENE-FARM产品的经济性具有经济性的原因包括：（1）燃气与电力存在一定价差。即如果把热电联供的燃气费用全部计入发电成本，则度电燃气费和单独购电的费用相当，余热价值相当于收益。在用气量较大时，余热的价值高于设备折旧成本，具备经济性。（2）存在燃气优惠价格。购买ENE-FARM产品后，无论燃气是否由燃料电池使用，该户居民使用的所有燃气均享受ENE-FARM套餐的价格。因此，有冬季采暖需求的家庭，可以另外安装燃气炉，或者购买装备外置燃气炉的ENE-FARM产品，燃气消耗量大时更具经济性。3、上海地区使用ENE-FARM产品的经济性3.1上海气价、电价情况上海居民阶梯燃气价格和电力价格如表6、表7所示。表6上海居民用户阶梯气价3.2上海与东京单位热值的气价、电价对比假设上海、东京每户居民一年用气550m3、用电4000kWh，燃气热值36MJ/m3，东京居民安装30A限流器，燃气用量按月平均，上海居民用电峰谷电各占一半。如表8、表9所示，上海居民单位热值燃气和电力的价格比约为0.68，东京为0.43。表8上海民用单位热值电价与气价关系3.3在上海推广家用燃料电池CHP系统的经济性如表10所示，即使计算热利用的价值，将燃气费由发电和热利用分摊，度电成本依然高于电价。表10上海家用燃料电池CHP系统的经济性图4设备价格变化对度电成本的影响4.2燃气价格燃气价格每变化10%，度电成本同向变化2.86%。见图5。5、结论及启示我国目前在燃料电池相关技术与国外还存在差距，用于供能领域的产品多处于研发阶段，尚未实现标准化、系列化，产量较小、价格较高。受资源禀赋、体制等因素影响，我国民用气价、电价不仅低于工商业，甚至低于实际成本。随着整个产业的快速发展，技术持续进步，产品成本预计会出现大幅度下降，在某些特定区域或特定场景将率先出现市场需求。（转自：《上海节能》） ...
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2020-3-30 17:51
- 北京科技大学郭汉杰教授：《氢冶金原理与效益预测》
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氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向，在未来全球能源结构变革中占有重要地位。核能制氢将核反应堆与采用先进制氢工艺耦合，进行氢的大规模生产，并用于冶金和煤化工，是取代传统化石能源大量消耗、缓和世界能源危机的一种经济有效的措施。根据核能以及核能制氢的特点与冶金技术深度耦合具有天然优势，是开创性的重大技术交叉创新，若探索成功将引领世界核能与冶金行业发展的新趋势。按照“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，钢铁企业要高质量发展必须突破环保约束、实施绿色发展。如何实现钢铁企业清洁绿色发展，核能是一个很好的选择。通过研发形成关键技术，实现核能连续制氢与氢冶金的规模应用，大幅度降低成本，是突破化石能源的障碍、实现清洁生产非常有效的解决路径。
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2020-3-29 09:33
- 工程技术中心主任蒋利军：发展中的固态储氢材料
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当前我国正面临着能源安全和碳排放两大挑战，必须调整当前过度依赖化石能源的能源结构，向着低碳、清洁、智能化的方向发展。将氢能纳入到我国整个能源体系中，有助于改善我国的高碳能源结构，保障能源安全。其应用不仅是备受关注的燃料电池汽车，还应包括氢能发电、工业应用及其建筑应用等。国家有色金属新能源材料与制品工程技术研究中心主任蒋利军认为，在整个氢能供应链中，高密度安全储运氢已是主要的瓶颈问题。采用固态储氢既可以大幅提高体积储氢密度，又可以提高储运氢的安全性。可为解决人们最关心的氢能高密度储存和安全应用这两个问题，提供重要的解决方案。密度高又安全的固态储氢“固态储氢相对于高压气态和液态储氢，具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。”蒋利军说，如与燃料电池一体化集成，可充分利用燃料电池余热，吸热放氢，降低系统换热用能，使得整个燃料电池动力系统的能源效率得以提高。氢具有最高的重量比能量，但其体积能量密度很低。因此为将氢能推向实用，需大幅提高氢能的体积能量密度。蒋利军介绍，目前一般采用高压压缩、液化或固化的方式，提高体积储氢密度。在这三种方式中，固态储氢具有最高的体积储氢密度。因此，采用固态储氢是提高体积储氢密度的最有效途径。这是由其本征的储氢特性所决定的，氢气先在其表面催化分解为氢原子，氢原子再扩散进入到材料晶格内部空隙中，形成金属氢化物，因而其储氢密度比液氢还高。此外，虽然氢气具有容易向上逃逸、迅速扩散的安全优势，但也依然存在着一些固有的安全隐患，如其粘度最小，易泄漏，同时氢气燃烧浓度极限范围宽,当氢气出现泄漏并局部聚集，如遇火源，易发生燃爆。高压储氢存在着高压泄漏、液氢储氢存在着蒸发泄漏等安全隐患，固态储氢可做到常温常压储氢，储氢容器易密封，并且当发生突发事件，出现氢气泄漏时，由于固态储氢放氢需吸收热量，因而可以自控式地降低氢气泄漏速度和泄漏量，为采取安全措施赢得时间，从而提高了储氢装置的使用安全性。固态储氢材料成果丰硕蒋利军告诉《中国科学报》，近年来，国际上在固态储氢应用和新型储氢材料的研发方面取得了诸多进展。成熟的储氢材料已在热电联供、储能、摩托车载燃料电池等多个领域得到应用。德国HDW公司将开发的TiFe系固态储氢系统用于燃料电池AIP潜艇中，取得了固态储氢迄今为止最成功的商业应用。我国近年固态储氢应用也取得了较大进展。TiMn系固态车储氢系统已成功应用于燃料电池客车中，不需高压加氢站，在5MPa氢压下15分钟左右即可充满氢，已累计运行1.5万公里。40m3固态储氢系统与5kW燃料电池系统成功耦合，作为通信基站备用电源，可持续运行16小时以上。小型储氢罐已批量用于卫星氢原子钟中，为其提供了安全氢源。并已形成了3项固态储氢相关国家标准。据蒋利军介绍，尽管上述储氢材料技术已较为成熟，并得到了实际应用，但其重量储氢率仍然偏低，难以满足车载储氢的技术要求，需要更高重量储氢率的新型储氢材料。这些高容量储氢材料多为轻元素形成的离子键、共价键氢化物，但键合力太强，放氢温度过高。蒋利军说，对于这些新型高容量储氢材料，目前主要通过纳米化、复合化和催化等方法，来调控其热力学、动力学和循环寿命性能。近年也取得了一些重要进展。如韩国汉阳大学制备出了三维碳材料纳米限域和过渡金属修饰的MgH2纳米复合材料，可在80℃放出4wt%的氢气，180℃下放氢量可达6.55wt%，并具有较好的吸放氢循环性能；澳大利亚新南威尔士大学制备出具有核壳结构的镍催化氨硼烷纳米储氢材料，使原来不可逆储氢的氨硼烷具有了部分可逆储氢性能。我国近期合成的N-Nb2O5掺杂的MgH2起始放氢温度也已降至170 °C。但是总体来看，这些材料仍存在热力学稳定性过高、储氢量偏低、可逆性尚差等问题。市场为导向，走出象牙塔尽管国内外固态储氢材料的研究成果不断，蒋利军仍认为这类材料的综合性能还不能完全满足燃料电池动力系统的应用要求，特别是燃料电池乘用车车载储氢的要求。成熟体系的储氢材料重量储氢率偏低，这些材料包括稀土系、Ti系和TiV固溶体材料，其中最高的TiV固溶体材料可逆储氢量也仅有2.6wt%。为提高重量储氢率，开发了一系列的配位氢化物、金属氨基氢化物、金属氨硼烷等轻质高容量储氢材料，虽然具有较高的重量储氢率，但这些材料仍存在着吸放氢温度高、吸放氢速度慢、可逆吸放氢循环性能差、低成本规模化制备技术欠缺等问题。此外，储氢材料成本偏高也是制约其发展的一个重要因素。一方面，受有色金属原料价格波动影响，储氢材料的原料成本变动大；另一方面，这些材料应用的市场还较小，制造批量小，成品率低，导致其制造成本也较高。蒋利军说，要解决这些问题，就要让研究走出象牙塔，直接面向市场需求，与最终用户紧密合作，开展实用型储氢新材料开发、配套工程化和应用技术开发。第一，加快成熟储氢材料的应用。要认真分析细分市场，在现有成熟的储氢材料中筛选出性价比最合适的配对材料，开展工程化和应用技术研究，使成熟的储氢材料能尽快在特定的细分市场中得到很好的应用。第二，以产品为导向，开发高容量储氢新材料，以满足综合性能为导引，避免片面追求高容量，做到有的放矢。第三，将成本核算引入到研发阶段，研发时不仅要追求高性能，同时要充分考虑材料成本和批量制造成本，找到原材料成本低、批量制备技术易于控制的材料和技术。第四，由于储氢系统涉及氢和压力容器问题，使用安全至关重要，必须要以相关标准规范为保障，目前储氢材料和系统标准规范及安全评价体系尚待完善，相关安全评价装备和检测基地也不完备，需要从宏观层面加以推动。减少碳排放，必须发展高比例可再生能源，但可再生能源在时空间是不稳定的，需要发展氢储能等大规模储能技术，通过储能的手段，适时调配能源，将波动较大的可再生能源变成高品质能源。蒋利军认为，氢能既可以大规模储存，又可以跨区域跨季节的调度，而且使用多样化，使整个能源体系变得更高效、更柔性。氢能将通过电氢协同，成为整个能源结构中的桥梁和纽带，与太阳能、风能等清洁能源一起，构成清洁的、可持续的能源体系。蒋利军对固态储氢的经济性很有信心。他认为，内蒙地区风能、稀土资源丰富，但目前弃风严重，镧铈稀土积压严重，而稀土储氢材料恰 ...
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2020-3-26 09:56
- 氢云报告：2月燃料电池领域全球专利监控报告
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各位读者大家好，每月一期的燃料电池领域全球专利监控报告又和大家见面啦。本期监控报告的内容主要包括三个部分，分别为：1、2020年2月燃料电池领域公开专利整体情况介绍；2、国内申请人专利公开情况介绍；3、部分申请人介绍及其公开专利解读，主要涉及燃料电池系统控制相关的专利解读。—滑至文末添加工作人员微信可获取PDF版本监控报告和专利清单—一、整体情况介绍1.1专利公开地域情况2020年2月，燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共873件，较上月相比，数量有一定下降。本月，中国地区的发明专利申请公开和实用新型专利授权公告数量总体与上月持平，发明授权公告数量下降较多。部分公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。图1-2 燃料电池专利2月公开/授权的技术分布1.3 申请人专利申请情况将专利申请人经过标准化处理后，对标准化申请人的专利申请数量进行统计，如图1-3所示。其中，丰田公司公开的专利为69件，其中发明申请和发明授权数量均为34件；现代公司和LG公司的专利公开数量分别为27、24件；格罗夫公开专利17件，发明申请专利占比较多，共计11件；武汉泰歌公开专利12件，其中9件为外观设计专利。图2-1 整车厂2月专利公开情况2.2 燃料电池企业2月专利公开情况国内燃料电池企业在2月的专利公开情况如图2-2所示。其中，浙江锋源氢能公开专利11件，主要涉及金属双极板制备技术；世椿智能装置公开专利6件，主要涉及双极板制备过程中的点胶密封方法；安徽伯华氢能、魔方新能源、氢蓝时代、深圳国氢、舜华新能源、潍柴动力、先导智能、新柯力化均公开4件专利。图2-3 相关科研院所（校）2月专利公开情况三、部分申请人及公开专利介绍3.1丰田公司图3-2 CN110783602A燃料电池系统在燃料电池启动开始阶段时，排气排水阀接收到开阀指示的情况下，控制部62通过将排气排水阀58中阳极废气的排气流量与预先设定的基准值进行比较，若在基准值以上，则说明排气排水阀58可正常进行开阀动作；反之，则存在异常。具体为：在燃料电池系统接收到启动指令后，首先由控制部判断环境温度是否在冰点以下，例如可通过检测制冷剂排出流路79B处制冷剂的温度或者排气排水阀58处的温度等。处于低温启动条件下时，打开空压机向燃料电池供给空气，同时通过喷射器向阳极供应燃料气体（并停用循环泵）；当阳极气体供给压力上升至指定值时（可用压力传感器59测量气体压力值并计算出阳极气体供给量≥阳极体积为止），控制部指示排气排水阀58打开，并在预定时间后（如0.3S），对排气排水阀58的工作状态进行检测。当阳极废气排气流量大于或等于预定参考值时，则可判定排气排水阀可正常动作；反之，则存在异常。进一步，若排气排水阀58可正常动作，则允许车辆行驶；若存在异常，则生成异常报告通知驾驶员。本方法通过阳极废气排气流量情况来对排气排水阀的工作状态进行判定，可有效提高检测准确率。图3-4 JP2020021533A燃料电池系统燃料电池系统100包括电堆20、阳极气体供排系统30、阴极气体供排系统60、制冷剂循环系统70，通知单元80、记忆单元84和控制单元90等。S101：当燃料电池启动时，开始负电压通知控制。控制单元90通过单元监视器22发送的电压值来确定各单电池的电压是否为负电压。S102：当存在负电压时，控制单元90执行电流限制以防止负电压导致电堆内每个单电池发生劣化，同时增加阳极气体流量以使电堆中的水分被阳极气体冲走，使水分向气液分离器侧移动。S103：在执行S102后，重新从单元监视器20获取每个单电池的电压，判断是否存在负电压；若仍存在负电压，则进一步确认负电压产生的原因；若不存在负电压则可检查启动开关状态（S121），当启动开关断开时（S121，YES），控制单元90结束负电压通知处理。S104：氢泵冻结判定。首先判断氢泵46运转是否正常，通过将控制单元90发送的命令值与氢泵46实际的输出量进行比较，若实际输出量小于或者大于命令值，则说明氢泵运转异常；在判定氢泵运转异常后，可根据外部温度传感器检测到的温度情况来确定氢泵是否有可能被冻结。当低于0℃时，存在冻结可能；反之，则无。S105：排气排水阀冻结判定。控制单元90向排气排水阀48发出打开/关闭指令，根据阳极气体供应通道中的压力变化，来判断是否运行正常。例如，当发送“打开”指令时，若此时阳极气体供应通道中的压力变低，则说明排气排水阀正常运转，未发生冻结（正常运转时可将生成水和废气排出，使通道压力下降）。S106-S109：当判定氢泵和排气排水阀中的至少一个存在冻结可能性时，由通知单元80执行通知，随后燃料电池系统停止发电，并记录相关信息（车辆信息、环境温度、冻结部件、冻结预估原因等）。S106-S133：当判定氢泵和排气排水阀中均不存在冻结可能性时，由通知单元80执行通知，燃料电池系统停止发电，并记录相关信息。记录的信息可以辅助专业人士判断故障原因。图3-6 现代公司2月公开专利技术分支情况2020年2月，现代公司在燃料电池领域共公开专利27件，主要涉及电堆、系统控制、增湿等技术分支。下文分析的现代公司燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为：JP2016219395A、US20200055422A1。3.2.1JP2016219395A——用于恢复燃料电池堆性能的方法和装置通常，膜电极组件中的电极在一定工作时间之后会发生劣化，从而引起燃料电池性能的下降。发生劣化的原因包括：电极中催化剂的表面上形成有氧化物或吸附有杂质等。例如，阴极催化剂表面生成有Pt氧化物，降低了氧还原反应速率；阳极催化剂吸附了CO，导致氢氧化反应速率降低；在高功率和低湿度操作期间，使SO3-端基重排，导致离子导电性降低，同时SO3-吸附至铂催化剂表面，降低催化剂了活性……以上情形导致的燃料电池堆性能下降为可逆的，所以可采取相应措施使燃料电池堆的性能（部分）恢复。现有技术中，主要通过阴极侧氢气加速铂氧化物的还原使电堆性能恢复，具体手段为：向阴极供应氢气，并使氢气在阴极停留一定时间以去除铂表面上的氧化物；向阳极供应空气、阴极供应氢气以使电极反转，并向电极施加高脉冲电流，以除去阴极催化剂表面形成的氧化物；然而，上述方法不能有效改善由于阳极铂催化剂表面吸附有杂质（CO、SO3-）时导致的电堆性能劣化。图3-8 燃料电池性能恢复系统性能恢复装置包括反应气体供应变化机构（三通阀）、电流流动 ...
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2020-3-23 15:59
- 氢云报告：氢燃料电池气体扩散层浅析
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氢燃料电池气体扩散层（GDL）是燃料电池膜电极的重要组成部分，位于流场和催化剂层之间，是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道。因此，开发高性能的GDL对燃料电池的耐久性和可靠性具有非常重要的意义。
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2020-3-23 14:33
- 氢云报告：一文读懂氢能的制取与利用
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氢是目前全球公认的最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。氢不是一次能源，需要使用一次能源通过转换来生产出能量载体，目前氢气的工业应用大多采用高压气态形式作为燃料或原料。氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氢或含氢物质及空气中的氧通过燃料电池以产生电力，再以电力推动电动机，由电动机推动车辆，整个过程将氢的化学能转换为机械能。氢能源的最大好处是跟空气中的氧反应产生水蒸气之后排出，可有效减少燃油汽车造成的空气污染问题，现阶段下高速车辆、巴士、潜水艇和火箭已经在不同形式使用氢燃料，而燃料电池车一般在内燃机的基础上改良而成。目前燃料电池行业无论从技术储备还是商业模式仍处于积极探索中，技术上(电堆和整车技术)的可靠性和经济性都是制约燃料电池行业发展的瓶颈。当前影响国内加氢站终端氢气售价的主要因素是氢气到站成本(占70%)，其中包括氢气成本和储氢、运氢成本。因此除降低储氢和运氢成本之外，如何获得低成本的氢源，将是实现终端加氢站运营经济性的关键。燃料电池驱动车辆的原理目前国内用于外供氢气的氢能储备非常充足，但目前下游供氢体系尚处于萌芽探索阶段，几种制氢路线的经济性尚处验证之中。展望未来，由于负荷中心的集中区域华东地区煤炭总量指标控制严格，且中期内天然气供给仍将较为紧张，投资较重的化石燃料制氢(煤制氢和天然气重整制氢)作为定向的供氢路线，其可行性获得确认之前难以大规模推广；而水电解路线虽然可以实现分散式供氢，但其经济性取决于电力成本的降低，国内风电和光伏的弃电利用水平是制约该路线未来发展程度的关键。从目前来看，国内化工副产氢的利用是燃料电池行业供氢的较优选择，国内氯碱、PDH 和快速发展的乙烷裂解行业可提供充足的低成本氢气资源，且集中在负荷中心密集的华东地区，在对这些装置进行低强度的改造之后可同时解决燃料电池行业的供氢和副产氢高效利用的问题，未来化工副产集中式供氢+水电解分散式制氢将会是国内燃料电池行业供氢模式的发展方向。沿海氢源走廊目前工业上生产氢气的技术已经非常成熟，化石燃料制氢、化工副产氢、水电解制氢、甲醇制氢各种路线均已经大规模商业应用，此外光电化学和生物制氢尚处于技术开发阶段。而从国内外加氢站的运营情况来看，目前供氢的方式主要分为两种：站内制氢和外供氢气。其中站内制氢主要是水电解制氢，该技术已经相当成熟并且在欧洲大多数加氢站获得应用；而外供氢气则是大规模的利用天然气重整制氢或者钢厂、化工厂副产氢气，在净化之后使用高压氧气瓶集束拖车运输至加氢站。
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2020-3-22 10:24
- 氢云观察：新能源汽车自燃的幕后黑手之锂电池热失控
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锂电池能烧起来、烧起来这么危险，原因是在于它本身就是一个可以自行进行反应的封闭小系统，换言之，它是一个封闭“能量球”。不同于发动机或燃料电池的开放系统需要输入空气和燃油。在这个小小的电池里，既有还原剂，又有氧化剂，那么当然既可以“缓慢”充放电，也可以激烈地燃烧起来。所以一旦电池的管理不当，后果会是灾难性的——即使是把电池放到太空里去，这个难题也是一样存在。而当锂电池一旦发生热失控，整个电池组能够释放出的能量是惊人的。由100节带电量100Ah的电芯组成的电池组，失控能量达到240000000J，约合57公斤TNT炸药。图3，电池组热失控能量极大，图片自制这样一堆专业名词如果看起来不好懂的话，那容我做一个类比，请看下图——图5，原子弹和氢弹的反应原理机械电气诱因，最著名的案例就是文章开头提到的“特斯拉第一烧”，车辆高速行驶中触碰的异物，直接导致了电池内隔膜崩溃，进而造成了电池内短路，短时间内引发了自燃，按驾驶者回忆，20分钟前车辆发出预警，车主逃生后火势迅速扩大将整个车辆烧毁。图7，发生于2013年的特斯拉首例公开报道的自燃事件·电化学诱因中，过充放电也是电化学诱因，并且是危害极为严重的一个诱因。而它也是和电动车车主使用习惯最为相关的一个诱因，极为常见、危险。特斯拉、荣威、众泰等等电动车都曾在充电时发生起火。当电池过充电时，正极过渡金属溶解，负极析锂，电解液氧化分解，从而导致温度加速上升，电池膨胀直至破裂，内阻随之快速增大，进而发生热失控。以2016年特斯拉充电事故为例，当地过低的气温可能使得电池的状态估计与实际状态不吻合，进而发生了过充电的情况，导致自燃。过充电导致的事故案例在近年发生较多，例如今年3月在泰国曼谷的保时捷Panamera PHEV充电起火乃至烧毁住宅；今年7月在深圳的陆地方舟电动物流车充电起火引燃了旁边车辆。图9，2015年，挪威，充电中自燃的特斯拉ModelS·热诱因，热失控最直接的诱因就是热诱因。例如在2008年美国公司CEPCI购买了一辆丰田普锐斯，并自行改装加入了电池，由于该公司改装没有符合电芯制造商A123的使用规则，车辆运行中热控芯片未产生作用，导致电池温度过高，进而引发热失控，造成了车辆自燃。图11，2008年，改装普锐斯自燃电池状态的精确估计，有助于实时监测电池的充放电状态，避免过充放造成的热失控。此外在另一项研究成果中，研究者通过状态估计与电池内短路模型的结合，可以有效识别是否发生了内短路，进而在热滥用发生之初，就对系统发出警告。从今年的众多过充造成自燃的事故来看，如何防止过充电，还有很多工作要做。除此之外，如何隔离开发生热失控的电芯也是一个难题。当热失控发生，如果能够将发生问题的电芯或模组隔离开，就能够有效降低损失，避免自燃。同样是清华大学的研究者，对电池的热失控蔓延进行了研究，建立了一整套成熟的热扩散测试方法作为技术支持，并提出了电池包综合的热管理设计方案，包括了上表面连接汇流结构优化散热、下表面流道散热设计、电芯连接间隔面的隔热处理、以及电池包侧面布置半导体加热片的低温加热算法设计。这一系列设计保证了整个电池包有较为均匀的热状态，降低了热失控发生的风险。图13，围绕电池包综合热管理进行了全方位的立体设计
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2020-3-18 18:42
- 氢云观察：我国氢燃料电池汽车产业发展存在的问题
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产业发展并不是简单的过程，是政府和市场的力量共同推动的结果。政府在权力、行为能力、职能上受到法律的约束和限制，其对产业的贡献更多的在于为市场经济的稳定运行提供良好的市场环境，建立相对健全的法制环境，保护产权，维护市场规则和市场秩序。而新兴产业充满着不确定性，作为市场主体的企业通过创新不断地创造出新的产品、新的技术，并由此推动产业发展。因此有为的政府和富有创新精神的企业是我国氢能产业发展的主要驱动力。一、政策的不确定性早期政策导向偏颇, 氢能源发展意识不足，导致资金过多投向金属电池汽车产业，氢能源汽车产业投资受到挤压。2017年实施的双积分制度，初衷是为了建立推动新能源汽车发展的长效机制，实现传统汽车降低油耗和扩大新能源汽车产销规模，但由于已有车企只需减少碳排放或者通过非法交易获得新能源积分，大多数传统企业没有动力转型氢能源汽车产业发展，而是将更多精力发展混合动力汽车或者纯电动汽车。二、技术的不确定性虽然我国氢能源汽车产业技术上有了一定发展，但在制氢、储氢、燃料电池、加氢站、商业化等环节还存在明显短板。此外，供氢系统故障、冷却系统故障、燃料电池模块故障、燃料电池DCDC故障、辅助系统故障和绝缘故障等六大问题亟待解决。三、需求的不确定性氢能源和氢燃料电池进入市场的时间和节奏、市场需求和欲望，依然不好把握，亟需政府进行干预以便保持稳定需求量。氢能源汽车当前存在产业链难以贯通的困境，特别是氢气供应仍然是制约产业发展的环节，常规的氢气产业运营模式暂时无法与新兴的燃料电池应用产品无缝衔接，安全轻便的储氢材料还没有出现，这使得氢能产品商业化进展十分缓慢。氢能与燃料电池技术突破、燃料电池成本下降不及预期，加上氢能知识普及缺失和不足，使得氢燃料电池和氢能源汽车市场化短期内没有达到应有效果。四、竞争的不确定性由于竞争政策的设计和实施存在严重不足，原有企业和新进入市场者仍存在冲突。市场在位者往往投入大量研发成本，而新进入者则通过非法手段窃取技术专利或者在已有研究水平上搭便车进行更新换代，从而出现后来居上和打压原有市场在位者的情况，使得很多大型企业不愿意投入巨资研发，而是继续观望等待技术的突破或成熟，阻碍了氢能源汽车产业的发展。五、应用推广进程缓慢在基础设施方面，配套仍比较落后。管网运氢大概只有400公里左右，加氢站至2018年底只有23座，世界排名第一的日本则拥有96座。在整车制造方面，生产数量依然十分有限。截至2019年，中国氢能源汽车产业集群达到60家企业，但是氢能源汽车产量不足3000辆。北上广深等大城市未能形成氢能源汽车产业集群，引领带动氢能汽车产业发展，产业只是集聚于张家口、常熟等中小城市。六、标准制定滞后美国、日本分别在氢燃料电池技术标准和氢能源汽车标准上走在世界前端。我国相关政府部门管理权限分散，行业标准制定与认定的孤岛隔阂现象较为严重，导致氢能源产业技术标准单一、笼统、松垮和割裂，汽车行业、氢燃料电池行业、纯氢制备行业等领域的标准制定较为粗糙，产业国际话语权严重不足。
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2020-3-18 11:09
- 青岛能源所开发出石墨炔基新型高效非金属电催化剂应用于燃料电池
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燃料电池是一种重要的新能源装置，其中最新发展的金属-空气电池更是被寄予厚望。然而，金属-空气电池中阴极氧还原和正极氧析出反应动力学过程缓慢，需要大量的贵金属催化剂，大大增加了电池的成本，阻碍了金属-空气电池的大规模商业化进程。中国科学院青岛生物能源与过程研究所碳基材料与能源应用研究组，在制备高效低成本的金属-空气电池阴极催化剂方面开展了大量工作。在前期的研究中，该研究组已经先后研究了氮掺杂的类型对基于碳材料的电催化剂性能的影响（ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 29744）；制备了吡啶氮选择性掺杂的碳基催化剂（Nat. Commun.2018, 9, 3376.）；以及过渡金属-氮共掺杂的催化剂（ChemSusChem2019, 12, 173；Carbon2019, 147, 9）。证明了吡啶氮对提高碳基电催化剂性能的重要作用，并制备了一系列低成本、高性能的电催化剂材料。近期，该研究组成员基于前期工作，利用新型碳材料石墨炔特殊的化学制备方法，无需后掺杂，直接制备了只含有吡啶氮的吡啶石墨炔材料。X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）表明，所得催化剂中只含有吡啶氮。在电化学测试中，吡啶石墨炔表现出优于商业碳载铂催化剂的氧还原电催化性能。利用其作为锌-空电池阴极，其最大功率密度高于铂基锌-空气电池的最大功率密度，并具有比铂基电池更加优异的充放电稳定性，具有巨大的应用潜力。密度泛函理论计算表明，与吡啶氮距离最近的sp杂化碳原子为最佳的氧还原反应位点。此工作将为设计合成具有特定反应位点的新型非金属催化剂材料提供新的思路。相关工作发表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上（Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234）。以上工作得到国家自然科学基金、中科院前沿项目和研究所内重点部署项目等资助。相关发表文章：Lv, Q.; Wang, N.; Si, W.; Hou, Z.; Li, X.; Wang, X.; Zhao, F.; Yang, Z.; Zhang, Y.; Huang, C.,Pyridinic nitrogen exclusively doped carbon materials as efficient oxygen reduction electrocatalysts for Zn-air batteries. Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234.
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2020-3-16 16:47
- 氢云观察：我国主要的氢能标准有哪些？
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随着氢能被纳入了我国的能源体系，氢能源汽车成了目前汽车技术突破的方向。而一个新技术、新产品的推广应用，离不开标准体系的建立。我国目前有哪些关于氢能的标准呢？
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2020-3-16 16:22
- 氢云观察：全固态电池商业化有多远？四大挑战不可避免
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全固态电池一直是研发热点，但是全固态电池久久不能商业化，一篇发表于Nature Nanotechnology的论文讨论了基无机固态电解质（SSE）的固态电池商业化的四大挑战。01、固体电解质挑战SEE最初的电导率非常低，无法实用化，并且界面稳定性也是决定其性能的重要因素之一。最近研究人员研发的SEE在25℃的离子电导率已经达到10-2S cm-1，与液体电解质的电导率相当，但界面稳定性仍无法保证。下图是某些SEE与普通电极材料相比的电化学性质。电解质、锂盐、隔膜、添加剂、包装材料等关键材料再循环率很低，目前的回收只能考虑到正极等少部分材料，未来的电池必须在设计阶段就把回收利用考虑在内，才能完善电池的整个生命周期，降低电池的总体成本。要将全固态电池完全回收，还需要整体战略研究，这将是全产业链需要共同解决的问题。（来源“DT新材料”）
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2020-3-16 16:10
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