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DOE最新资助的31个氢能项目分析,美国氢燃料电池发展趋势是什么?

2021-11-05 17:14
香橙会
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美国能源部(Department of Energy,DOE)7月7日宣布投入5250万美元用于支持31个氢能相关项目,促进该行业的技术进步,加快市场化进程。其中,DOE能效和可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, EERE)提供3600万美元,共资助19个项目;DOE化石能源和碳管理办公室(Department of Energy’s Office of Fossil Energy and Carbon Management, FECM)提供1650万美元,共资助12个项目。

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31个项目简介

制作:香橙会研究院

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各项目主要工作与预计目标

1、燃料电池单元化的连续制造工艺

开发一种能够连续生产并且与卷对卷生产方法兼容的双极板。该双极板不仅具有大的活性面积400cm2,而且能够满足重型卡车对反应物质的高通量需求。研发先进的电压测试系统,监测/电堆性能和健康状态。

2、大功率、低成本、薄柔性石墨双极板开发

开发能够满足DOE寿命和成本要求的下一代薄柔性石墨板。通过三年的技术积累,不仅要显著降低成本,而且要将寿命增长至25000h。

3、 大功率燃料电池双极板技术研发

提出一套全面的金属双极板加工工艺以使其满足DOE低成本、高性能、长寿命的要求。通过专注铁素体不锈钢的冲压、涂层和焊接的工艺优化,使金属双极板即使在低成本的制造条件下也能展现出在25000h运行时间后仅产生微小性能衰减的潜力。

4. 质子交换膜燃料电池双极板无贵金属涂层研发和生产

该项目以材料加工和涂层方法为手段,开发经济耐用的质子交换膜燃料电池双极板。三年研发攻关结束后将交付十套金属双极板给百万里燃料电池卡车联盟(M2FCT)进行测试和验证。

5. 基于高温成型和和扩撒粘结技术的低成本耐腐蚀涂层铝双极板

通过抗腐蚀材料的扩散粘结和铝板的高温成型,加上TreadStone专有的DOT涂覆技术,研发一种无缺陷、低成本、高腐蚀抗性的铝制双极板。这个项目将上述技术流程从概念验证推进至制造全尺寸双极板实物验证,以满足DOE对大功率燃料电池用双极板的成本和寿命目标。

6. 利用ICE空气系统技术减少燃料电池系统成本

研发350kW至1000kW大功率燃料电池空气供给系统以满足不同使用场景,包括卡车、公共汽车、建筑、采矿设备、船舶和铁路。开发一种能够满足DOE效率、成本、可靠性、耐用性、体积和重量目标的高效电动离心压缩机-膨胀机系统。

7. 重型燃料电池卡车高效、实用的瞬态空气管理系统

开发一种高效且耐用的罗茨型燃料电池空气系统,能够实现不到两秒的响应时间和和较宽的调节比,这是大功率燃料电池运用于交通设备时对不断变化的驾驶条件做出快速响应的理想特性。该项目包括系统与燃料电池的耦合验证,证明其在快速响应领域的优越性。

8. 箔片轴承支承的压缩机-膨胀机

开发一种基于空气箔轴承的离心式压缩机-膨胀机系统,可以消除油基轴承润滑剂污染阴极催化剂的风险。研究燃料电池参数,了解设计需求,通过将精密加工、高效直流永磁电机和最先进的碳化硅开关设备结合起来,生产出能够满足甚至超出DOE性能标准的压缩机-膨胀机。

9. 基于离心式压缩机的长寿命高效系统和辅助系统优化设计

该项目专注于研发用于大功率燃料电池空气系统中离心压缩机-膨胀机新型水润滑3D轴承,并结合其他技术,提升输送到燃料电池堆内空气的清洁度来提高电池堆的寿命和耐用性。

10. 高温电解槽的低成本制造

该项目通过提升单电池/电堆的兼容性及优化组装工艺,增加活性面积100%,减少电池厚度25%,使电解槽成本降至100美元/kW以下,从而能够制造生产满足美国能源部2美元每千克氢气的目标。项目验收时,爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)根据该项目取得的制造技术进步对电解槽(约14kW)进行测试和验证。随后将进一步与Strategic Analysis公司合作,基于电解槽性能和制造成本探究未来大规模生产时降低50%成本的可能性。

11. 固体氧化物电解槽及组件的自动化生产

该项目以康明斯公司成熟的热喷涂沉积工艺为基础大批量制造SOEC。该项目利用增材制造和自动化质量控制和组装方面的最新进展来支持固体氧化物电解槽叠层的自动化生产,不仅减少了昂贵的烧结需求,并将所需的密封材料减少了50%。该项目的目标为自动组装60kW电解槽,这极大地减少了劳动力输入,增加电池产量,并形成100%质量控制。创建的电解槽自动化生产线将建立94兆瓦每年的电解槽生产能力。

12. 新型生物质废物制氢技术研发

该项目通过发酵或微生物电解的方式利用食物/有机废物产生氢气,是一种高效、低成本的可再生氢气生产系统。该项目最终交付成果是一个1立方米的综合试点系统,该系统能够将未加工的食物垃圾转化为99.999%的纯氢气,产量为40%,从而实现美国能源部2美元每千克氢气的目标。

13. 利用废水高效制氢的新型微生物电解槽研发

提出了一种创新的微生物电解槽(microbial electrolysis cell, MEC)的概念,能够有效解决当前微生物电解最先进技术的重要障碍,例如扩散限制和局部环境PH过低以及以前MEC耐用性不足的问题。创新性的电池设计促进了高效的离子转移,减少了对昂贵的抗腐蚀材料的需求,并以真正的废水原料在100cm2的微生物电解槽中实现了20L氢气每反应器每天的氢气生产速率目标,从而为减轻废水管理负担和生产低成本氢气(2美元每千克)提供了一条可行路径。

14. 用于中重型交通工具的先进氢气加注系统

该项目将开发一种隔膜压缩机,能够以600kg/h的速度加注氢气,比当前先进水平快10倍以上。为了完成快速加注,该技术设定的加注压力为1000bar(100MPa)。该项目创新还包括阀门优化和液压驱动,以实现灵活操作(高调节比)和模块化。

15. 一种经济高效的加氢系统

该项目将开发一种多级200kW氢气冷却器,可以将氢气预冷至-40℃。该项目的主要创新点在于两级氨/二氧化碳循环,其效率高于传统的一级循环,因此所消耗的功率预定比旧式机器低50%。最后,该项目将提供经过全面验证的高流量氢气冷却器设计,并将之运用于大功率燃料电池加氢站。

16. 重载燃料电池卡车自动燃料加注系统

该项目将为重载燃料电池卡车开发和测试首创的自动氢气加注系统。该系统可保证在15分钟内快速、安全、高效地加载80kg以上的氢气。项目中开发的机器人可赋予燃料加注设备组件更多选择。该项目还将探索在自主设备中使用传感器监测加氢站性能和泄露情况,以实现更安全、更可靠的运行。最后,该项目还将评估美国国内各个地区不同气候条件对该加注系统(机器人、传感器和大功率燃料电池)的影响。

17-19. 燃料电池、氢能生产、氢能储存成本和性能分析

负责该项目的Strategic Analysis公司将与原始设备制造商、 供应商和系统专家组成的行业团体进行互动并开展技术经济分析。该项目将为DOE提供准确的、最新的关于不同生产路径下的氢能生产、氢能储存和燃料电池的成本估算。

20. 基于质子传导的长寿命、高性能电解槽技术开发

该项目将深入研究电解条件下电解质、电极和催化剂材料的降解机制,以合理设计更好的电极和催化剂材料。该项目的主要目标是展示具有氢气生产和电能生产功能的低成本、高效的可逆固体氧化物燃料电池系统的商业可行性。

21. 基于控制氧电极表面成分提升固体氧化物电解槽和耐久性的研究

该项目将以目前最先进的(La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3- (LSCF)氧电极作为研究对象,探讨不纯反应气体中的杂质毒物耦合到钙钛矿氧电极上的降解途径。该项目的主要目标有:1)提供LSCF的化学和电化学稳定性,防止掺杂剂锶(Sr)偏析以及随之而来的铬(Cr)和硫(S)中毒;2)基于渗透化学以最有效、最高效和最经济的方式实现表面改性,抑制掺杂剂锶(Sr)偏析及铬(Cr)和硫(S)中毒;3)了解相关操作参数对氧电极性能的影响。

22. 稳定、低成本的固体氧化物电解槽开发

该项目将在实验室测试台上运行固体氧化物电解槽,要展现出比对比电解槽更优异的性能,并且需要在稳健性、可靠性、耐用性、H2纯度,高压(2-3bar)产氢这些指标方面展现出更好的性能。项目结题时提交的固体氧化物电解槽产品(6节电池的短堆)能够在不同蒸汽模式下制氢运行至少500小时,然后在S0FC模式下发电运行300小时,以验证其存在可逆运行的功能。另外需要单独测试一个短堆以验证其是否能在产生2-3bar高压氢气的工况下连续运行100h。

23. 开发高效、耐用、高氧化还原抗性的固体氧化物电解槽的新型3D电池结构和制造工艺

该项目将开发一种用于制氢的高效、耐用且抗氧化还原的固体氧化物电解槽。采取的技术路径为新型电池结构设计及其制造工艺优化,该技术能够增大当前SOEC的尺寸,提升其性能和氧化还原抗性,并使其更加适合于蒸汽工况下生产氢气,提升其寿命。

24. 开发具有金属支撑的高性能固体氧化物电解槽并创新故障诊断方法

该项目将开发高性能金属支撑的固体氧化物电解槽并创新诊断方法。该项目计划制造金属支撑的固体氧化物电解槽(MS-SOECs)以提高电解性能,同时保证电堆组件的机械强度。该项目还将制定SOEC加速测试方案,并采用理论分析提高其稳定性并抑制氧电极爆裂。该项目还将使用机器学习研究电化学性能对电极微观结构的依赖性。

25. 开发高通量和高效制氢的可逆固体氧化物电池的稳定关键材料和微结构

该项目将通过基础材料和微结构创新解决关键的遗留问题,推进可逆固体氧化物燃料电池(Reversible solid oxide cell,RSOC)技术,用于独自供能或混合动力,也可作为一种储能手段生产氢气。该项目旨在推进RSOC技术的商业化,并将之拓展至公共事业领域。

26. 高效长寿命固体氧化物电解槽多孔电极内表面设计研发

该项目开发高活性和稳定的纳米涂层并将其用于多孔电极内表面。涂层将使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)和增材制造(additive manufacturing process)工艺开发,并将其植入多孔电极内表面,从而为电池层级的各种材料挑战提供一个简单的解决方案,进一步实现更高效的SOEC堆和系统。

27. 异质结构固体氧化物电解槽耐铬氧电极研发

该项目采用联合集成计算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering,ICME)设计、测试和验证SOEC的氧电极材料。基于实验室的测试工况,该材料能够在含铬气体杂质存在的操作条件下保持高性能和低降解率。电极材料完全优化后,在700℃工况下每运行1000小时的固有长期降解率低于0.3%。

28. 基于Svante公司固体二氧化碳吸附技术的Linde甲烷重整制氢工厂脱碳

林德(Linde)公司将完成用于蒸汽甲烷重整器(SMR)的商业规模二氧化碳捕集装置的初始工程设计,使用Svante公司提供的固体吸附剂进行二氧化碳吸附以制造蓝氢。整个系统设计为从美国墨西哥沿岸林德现有SMR工厂中以90%或更高的碳捕获效率捕获1,1000,000吨/年的净二氧化碳量,同时生产纯度为99.97%的氢气。该项目能够满足DOE制定的整体目标,即通过SMR技术生产的氢气纯度达到99.97%,同时该工厂能够实现90%的碳捕获率,二氧化碳纯度为95%。

29. 菲利普斯(Phillips 66)Rodeo炼油厂先进碳捕捉装置研究

该项目将完成商业规模级、先进的CO2捕集和封存工厂的初步设计。该工厂每年能够从现有蒸汽中分离和储存约190,000吨CO2,能够满足位于加利福尼亚州Phillips 66 Rodeo炼油厂碳捕捉效率达到90%的标准。

30.Blue Bison工厂自热重整系统(Autothermal Reforming, ATR)与CCUS系统的结合

该项目在Blue Bison工厂自热重整制氢系统的基础上集成设计了碳捕捉、利用与封存系统(Carbon Capture, utilization and Storage, CCUS)。优化后的系统能够每年分离和储存166万吨CO2,碳捕获效率达97%,碳纯度为95%。按照设计理念,Blue Bison工厂首次将碳捕获、纯氢气生产(纯度为99.97%)和辅助燃烧器中的氢气燃烧结合起来。该项目将打造可复制的世界级ATR蓝氢工厂先驱,生产具有成本竞争力的碳中性燃料,可以显著使能源经济脱碳,并使该国丰富的自然资源得到充分地利用。

31. 用于纯氢和氢气/天然气混合物的工业燃气轮机燃烧系统开发

该项目将为100%氢气或天然气/氢气混合物开发可改装地干式低排放燃气轮机系统。该项目能够为工业用燃气轮机脱碳,也能够产生快速调度的电力,维持电网稳定性。该项目的整体目标是原型机能够在100%氢气和天然气/氢气混合物作为燃料的工况下进行完整测试,表明该技术的可行性 ,并进行燃烧性能分析。该项目还将开发发动机控制算法和氢气火焰检测方法并使用CFD和LES进行简化动力学分析。最后,该项目还将对以氢气为燃料的燃气轮机发电厂和管道压缩机站进行经济技术分析。

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项目分析与评估

在本次DOE资助的31个氢能相关的项目中,资助金额最高的前三个项目分别为项目11:固体氧化物电解槽和电堆的自动化生产,资助金额$5,000,000;项目31:开发用于纯氢和氢气/天然气混合物的可改装干式低排放工业燃气轮机燃烧系统,资助金额$4,500,000;项目10:高温电解槽的低成本制造技术,资助金额$3,333,257。资助最少的项目金额约100万美元,共有13个项目。项目资助金额平均值约为167万美元,低于资助平均值的项目有21个,约2500万美元,而剩下的10个项目则拥有2700多万美元的资助。

31个项目中,以高校为主要负责人的项目仅有8个,其中7个项目着重于低成本、长寿命、高效的固体氧化物电解槽或可逆固体氧化物电解槽(制氢和发电)技术的开发,另外一个项目是采用微生物废水制氢的研究。表明美国氢能已经从实验室的基础研究阶段开始转向商业化应用示范阶段。

从氢能应用一体化供应链生态“制-储-运-加”进行分析。

首先,低成本、低碳的制氢方式受到了广泛的重视。其中,固体氧化物电解槽技术作为一种制氢和供能的手段在本次氢能研究资助中得到了最大的支持,共计10个项目,资助金额达1600多万美元。美国希望通过电解槽技术和制造工艺的创新降低氢气生产成本至每千克2美元。

除此之外,美国也还寻求其他创新性的低成本制氢方式,如微生物制氢。在低碳制氢方面,美国在如今现有制氢工厂技术的基础上集成CCUS系统生产低碳蓝氢,预计将产生良好的示范作用。氢气加注方面,美国资助的开发项目注重减少加氢时间和加氢人工成本,预计将氢气加注压力提升至1000kPa,并计划实现全自动加氢站的全美覆盖建设。最后,在此次氢能资助项目中,没有涉及氢气储存和运输的相关项目。

从氢气终端利用进行分析。

本次DOE资助项目氢能利用终端有两个:大功率燃料电池和氢气用燃气轮机。其中,大功率燃料电池类别中主要包括双极板和空气管理系统的相关研发。主要研发目标是提升双极板的寿命至25000h并降低双极板的制造成本。为了追求更高的功率密度,目前金属双极板在所有大功率燃料电池中得到了广泛地运用,但薄柔性石墨双极板也得到了DOE的相关资助,这表明其并未被金属双极板淘汰。

大功率燃料电池空气管理系统的研发主要包括两个方面,第一个方面是研发高效、低成本、动态响应速度快的空气管理系统;第二个方面是研发无润滑油空气管理系统组件。氢气用燃气轮机能够将可再生能源存储在氢气中的能量重新转化为电能,具有可调控性强的显著优点,如能真正取得突破,那么就可建立未利用可再生能源发电电解水制氢-氢气用燃气轮机燃烧氢发电上网的完全无污染的电力供给,具有非常重要的价值,是氢能应用的另一大重要场景。

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