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PTC ASIA 2021 高新技术展区现场技术报告

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氢能源的获取和应用

——据埃迈诺冠商贸（上海）有限公司专家詹远涛报告整理

非常高兴有机会能与大家分享我们公司在氢能技术方面的一些产品和应用。

我们埃迈诺冠是一家专业做气动和流体控制产品的公司。1925年在美国科罗拉多州，创始人卡尔·诺冠先生发明了世界上第一台润滑器，从此创立了诺冠公司；之后，诺冠被英国IMI集团收购，成为了IMI旗下的一家子公司。从公司创立至今，我们一直从事气动和流体控制产品的研发与生产，并且我们也在不断地并购一些世界知名品牌，来丰富我们的产品家族，目前在美国、欧洲和中国都有我们的研发中心和生产基地，能为客户提供最完善的技术和服务。

我们的主品牌是诺冠，旗下还包括了BIMBA，BUSCHJOST、FAS、HERION、KLOEHN等子品牌（见图1），产品应用范围涵盖了工业自动化、食品医药、能源化工、交通运输、电子半导体、新能源车电池和氢能等诸多领域；产品类型包括空气处理元件、电磁阀、气缸、压力传感器、比例阀、阀岛和智能监控系统等等。

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图1 Norgren的产品和品牌

氢能是比较新兴的话题，世界各国都在进行研究，而且氢能也是人类能源应用的趋势，所以我们公司在几年以前就开始涉足氢能领域，并开发出了相关的产品。

氢能行业相关情况

氢气的优点

氢能是世界上最丰富、最洁净的能源，有非常多的优点。

● 重量最轻：标准状态下，氢气的密度为0.0899g/L；-252.7℃时，氢可成为液体；若将压力增大到数百个大气压，氢气甚至可以变为固态氢。

● 导热性最好：氢气比大多数气体的导热系数高出10倍左右。

● 储量丰富：氢可以说是取之不尽、用之不竭。据估计氢构成了宇宙质量的75%，它主要以化合物的形态贮存于水中。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料释放出的热量还大9000倍。

● 回收利用：氢能源汽车的排放物基本只有水，所以可以再次回收利用，分解为氢。

● 理想的发热值：除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

● 燃烧性能好：点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，燃烧速度快。

● 环保：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生对环境有害的污染物质，氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。

● 利用形式多：既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。

● 多种形态：以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

● 耗损少：可以取消远距离高压输电，代以近距离管道输氢，安全性相对提高，能源损耗减小。

● 利用率高：消除了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。

● 运输方便：如果直接运输气态氢，占用体积太大，所以要想办法压缩为液态氢、固态氢，这样在运输的时候才最方便。

氢能的开发利用

从我们人类的能源发展来讲，最早是木材，木材基本上就是碳，也含有一点点氢；后面发现了煤炭，煤炭里面大概是两份碳一份氢；再到后面发展到石油，石油大概是两份氢一份碳；再后面就是天然气，天然气是四份氢一份碳；一直到现在纯氢的能源，基本就是氢了。从这个发展过程看下来，基本上人类的能源发展是逐步向氢碳比高的方向迈进的，由此可以设想，氢气将是人类未来利用的一个最主要的能源。

氢气的利用，最早始于1928年，德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ-127齐柏林”号飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的壮举。

后来科技不断发展，上世纪50年代，美国利用液氢作为超音速和亚音速飞机的燃料，将B57双引擎轰炸机改装了氢发动机，实现了氢能飞机上天。

所以氢作为一种高效燃料，可以为我们提供非常大的能量。

氢气的产生

如何得到氢气呢？氢气不是单独存在于大自然中的，它是与其他物质结合，以化合物的形式存在的，所以我们要得到氢气，不能够直接开采获取，而必须使用其他方法。常用的方法有下面几种。

● 煤制氢：煤制氢是一个化学工艺的过程，流程复杂，最突出的问题是环保，会产生非常多的有害物质，所以这不是我们现在提倡的制氢方法。

● 富氢气体提纯制氢：各种富氢尾气（氯碱厂副产氢、炼油厂副产氢、合成氨厂副产氢、煤化工副产氢等），主要依托上游装置，依赖性较强。

● 天然气制氢：天然气四份氢、一份碳，里面的氢是很多的。可以用天然气、水、催化剂反应生成氢气和二氧化碳的合成气体，再经过PSA提纯，得到高纯度的氢气。

● 甲醇制氢：包括甲醇水蒸汽重整制氢、甲醇直裂制氢、甲醇部分氧化制氢；甲醇制氢工艺的优点是原料价格相对低廉，投资规模小，运行成本低，装置简单，开车后受外界影响小，开停车方便，工艺简单。缺点是按目前的原料价格计算，运行成本比天然气制氢法略高。

● 水解制氢。原理是电解液（一般是含有30%左右氢氧化钾的溶液）在接通直流电后，水分解为氢气和氧气。该方法技术成熟、设备简单、运行可靠、管理方便、不产生污染、可制得氢气纯度高并杂质含量少，适用于各种应用场合。唯一缺点是耗能大，制氢成本高。

现在用的最多的方式就是电解水来制造氢气。

氢气的储存和运输

氢气是非常活跃的气体，同时非常难以压缩，所以储存对容器的强度和密封有非常高的要求。氢的储存是一个至关重要的技术，已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。储氢问题涉及氢生产、运输、最终应用等所有环节，储氢问题不解决，氢能的应用则难以推广。氢的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢等。

高压气态储氢是最常用的氢气储存方式，也是最成熟的储氢技术，即氢气被压缩后在钢瓶里以气体形式储存。但是它最大的弱点是单位质量的储氢密度只有1%（质量分数）左右，就是100kg的容器只能存储1kg的氢气，无法满足更高应用的要求。为此开发了新型复合高压氢气瓶，其内胎为铝合金，外绕浸树脂的高强度炭纤维，所以其自重比老式的钢瓶轻很多（见图2）。目前高压储氢主要的压力有15、35、70MPa三种，70MPa的高压储氢容器已经上市，其质量储氢密度3%。现在正在研制100MPa的高压储氢容器，其质量储氢密度接近10%。我国现在可以自行制造35MPa的高压储氢容器，国外普遍使用70MPa压力标准的Ⅳ型碳纤维瓶。

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图2 储氢的钢瓶和碳纤维瓶

低温液态储氢是指在在101kPa下，氢气冷冻到-253℃以下即变为液态氢。液化氢气具有存储效率高、能量密度大(12～34MJ/kg)和成本高的特点。但氢的液化需要消耗大量的能源，同时渗透热量引起的大型罐液态氢的气化比例要比小型罐的小，因此液态储氢的适用条件是存储时间长、气体量大、电价低廉。

氢气的运输也非常具有挑战性，因为氢气是一种非常危险的气体，运输过程中要考虑其安全性和能耗。目前常用的方法是用钢气瓶和车辆进行运输，当科技发展到一定程度后，我们可以用管道进行输送，这样能量的损耗及安全性得到很好的提高。

氢气的利用

氢气要怎么利用呢？主要是以下几种方式（见图3）。

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图3 氢能的利用

● 直接燃烧：氢气和氧气发生反应，产生热能，或者把氢气跟其他的燃料混合在一起，达到充分燃烧的作用。

● 发电：通过燃料电池发电，这个发电其实就是前面讲的电解水制氢的逆反应，就是氢原子与氧原子结合好以后，发生化学反应，多余的电子就会释放出来，形成电流，用此过程发电。

● 储能：现在一些发电厂，包括水利发电、风力发电等，当用电峰值比较低的时候，他们产生的一些多余的电能，我们怎么来利用呢？不可能直接把它浪费掉，我们可以用多余的电能电解水，使这部分能量以氢气的形式储存起来，当用电达到高峰的时候，再用这个氢气反过来发电，这样可以达到储能的目的。

● 氢燃料电池：这是利用氢和氧（或空气）直接经过电化学反应而产生电能的装置，换言之，就是水电解槽产生氢和氧的逆反应，最后排放物是水。现在燃料电池使用最多的是在车上面，提到最多的是氢燃料、氢能源车辆等等，都是世界上在如火如荼研发的方向。氢燃料电池的原理非常简单，不需要进行燃烧，最大优点是能源转换率可以高达60%～80%，而石油、汽油能源利用率只有35%左右。

氢能价值链

氢能的价值链，从氢气的产生一直到它的运输，再到它的下游用户。通过电厂（火力、风力、太阳能发电）得到所需的电能；然后将电能转化为氢气；最后氢气根据需要输送到其他一些地方，输送方式包括车辆运输、轮船运输和管道运输，运输到下游，包括工厂、车辆，甚至以后到家庭当中。所以氢能的价值链是一个非常广阔的链条，而且最终目的是利用太阳能转化为氢气，这是最直接的能源利用方式。大家都知道，地球上所有的能量都来自于太阳，只要太阳能一直存在，氢能就能一直得到开发和利用，取之不尽用之不竭。

Norgren产品在氢能行业的应用

诺冠在几年前就开始涉足氢能行业，目前我们的产品主要在三个领域有相关应用（见图4），制氢、加氢站和燃料电池。我们能提供的产品有制氢时的不锈钢过滤调压阀和防爆电磁阀；加氢站用的高压比例阀、溢流阀、安全阀、过滤器和电磁阀等等；燃料电池方面就是车辆上面用的三通阀、二通阀等等，目前有很多客户都开始使用这些产品，同时我们根据现有客户的需求和发展来不断开发和改进我们的产品。

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图4 Norgren产品在氢能行业的应用

我们在加氢站上的应用主要是高压过滤器和高压调压阀。高压过滤器，最高压力可以达到100MPa；高压调压阀最高可以达到55MPa。还有我们最新开发的防爆高压电磁阀，压力可以达到105MPa。

在燃料电池方面，我们也和很多厂家进行了合作，在空气处理、热管理和进氢模块方面我们都有相应的产品。像空气处理的进气阀、旁通阀和背压阀都是我们最新开发的，用电机来驱动阀芯，可以比例控制流量，做到二通、三通的控制。进氢模块上面集成了比例阀、过滤器、调压阀和安全阀等等，把所有产品集成到一个模块上的时候，就可以减少整个系统的管路和接口的数量。大家知道氢原子是非常小的，非常容易产生泄漏，氢气一旦泄漏，会对能源造成损失和浪费，最重要的问题是会产生非常大的危险，氢气是一种易燃易爆的气体，如果泄漏到周围空气当中，就会形成一个非常危险的环境，万一遇到静电、火花，就很容易产生爆炸，所以我们的产品对泄漏的要求是非常高的。最好的办法就是把所有的产品集成到一个模块上面，最大程度地减少管路和泄漏点，提高产品的安全性。