燃料电池汽车

燃料电池汽车第一页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

现代交通工具－现代文明的重要组成部分，

动力主要是来自汽油或柴油为燃料的发动机

●燃料利用效率低，消耗了很大比例的能源资源，

●同时造成了严重的环境污染，特别是城市的环境污染

解决途径燃料电池汽车（以燃料电池发电为动力）

●燃料的化学能直接转变为电能，

从而燃料能转换效率高的多，

●对于PEFC－排放物H2O：“零污染”

氢经济，氢能社会

《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》能源、环境与资源－可持续发展面临的重大挑战，中国人均资源占有率相对很小,问题更为严峻第二页，共二十一页，编辑于2023年，星期三PEMFC电动汽车前途未卜$PEMFC电动汽车六大技术障碍

——自美国能源部启动时间——电池启动快，但燃料处理要5－10分使用寿命——目前运转记录为1000－2000小时PEFC系统的成本——批量生产仍高达$300/kW

空气的供给——供:需＝12:1，特殊空气压缩机H2-燃料供应网站——密度要超过当前汽油供应站铂的成本和供应——超过全球铂的供应能力2001美国电动汽车资金分配：

52%燃料处理

30%

PEN相关材料

18%其它《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第三页，共二十一页，编辑于2023年，星期三燃料电池汽车：

前景光明还是未来难测？

■PEFC需要贵金属Pt为电极催化剂，发展PEFC汽车工业对Pt的要求远超出全球铂的供应能力，■PEFC还需要特殊空气压缩机供给高比例的空气（供:需＝12:1），技术难度高，成本增大。■需要纯氢燃料，供应难度高，其网站密度需超过当前汽油供应站，投资巨大难以为市场接受■氢的制造仍主要基于化石资源，加之储运、供应等环节成本特高，对环境具有额外的污染排放压力，这就抵销了排放产物仅仅是H2O这一优点。传统的热机驱动的汽车●超过100年的发展历史，结构相当合理、技术上简单可靠，制造成本已经很低●操作寿命超过10000小时，行程超过40万公里。大巴、货卡车、轮船和机车甚至可以超过2.5万小时和100万公里●汽车制造商也在通过不断技术创新改进使汽车能达到环境要求标准。例如，Toyota曾展示四冲程循环内燃机，其尾气比美国洛杉基的典型空气还要清洁5倍。基本结论：只有直接液体燃料的燃料电池汽车具有技术经济竞争力！技术经济竞争力？《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第四页，共二十一页，编辑于2023年，星期三从燃料井到燃料电池效率比较转变为氢气压缩氢或液氢氢的运输SOFCMCFCPAFCPEFCAFC石油和天然气井净化脱硫精炼运输80%60%40%20%050%效率加上附加损失效率《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第五页，共二十一页，编辑于2023年，星期三洁净天然气电厂系统造价($/kW)05001000150020002500300035001kW1MW1GWPEFC

MCFC

传统发电站SOFC《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第六页，共二十一页，编辑于2023年，星期三●

燃料能的转化和利用效率最高，直接电能>60%,（电+热）>80%●对燃料的广泛适应性

(H2,CH4,CO,CO+H2,生物质气)●

无须贵金属电极

(优于PEMFC)，可大规模发展●模块式设计，放大方便，效率基本不随规模、功率而变。

●

全固态，结构稳定，操作方便（与MCFC等比较）

●

应用多样、适应性广－大、中、小型固定电站和分散电源、移动电源.SOFCs技术最有希望成为人类从化石能源向氢能社会过渡的桥梁！受到世界各国的普遍重视和大力投资研发。

固体氧化物燃料电池（SOFC）

—21世纪的绿色能源《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第七页，共二十一页，编辑于2023年，星期三利用液态碳氢燃料的各种汽车的估计效率★四冲程内燃机汽车：19％★柴油引擎汽车：25％★DMFC或PEFC汽车：35％★SOFC/CMFC汽车：50％《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第八页，共二十一页，编辑于2023年，星期三我们的追求：直接液态燃料的燃料电池汽车●PEFC汽车，直接利用纯氢（气）燃料－技术难度高，制造成本高，对环境压力大。●汽车开发商们更为看好直接甲醇燃料电池（DMFC），因为甲醇是液体，具有比压缩氢气大的多的体积能量密度，其供应方式与目前的汽油网点一致，安全清洁。但DMFC也是采用质子交换膜电解质，低温操作和必须使用贵金属铂。另外，一般汽车制造商们不太了解的是，DMFC的燃料转换效率比PEFC更低，目前的发展主要是针对(也比较适合于)小功率体系应用。●工程技术界更加推崇固体氧化物燃料电池（SOFC），SOFC不仅具有最高的能量转换效率，主要的是可以直接使用碳氢化合物燃料，也就是说可以直接应用液体燃料。鉴于SOFC的产业化进程远不如PEFC

人们认为SOFC作为汽车动力目前是一种逻辑选择。《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第九页，共二十一页，编辑于2023年，星期三中国科技大学研究团队在SOFC方面的研究1998年举办第97次香山科学会议《新型固体燃料电池》此后，承担5项863计划项目，是国内唯一获得连续支持的单位；先后承担12项国家自然基金项目（全国第一）发表的SOFC相关SCI论文数在国际研究机构中排名前五（国内排名第一）相关专利发明>20《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十页，共二十一页，编辑于2023年，星期三活化极化严重产业化指标：300mW/cm2YSZ基薄膜制备及界面优化440mW/cm2通过界面优化显著降低了界面极化电阻，大大提高了电池性能实现了YSZ基SOFC的中温化？电解质、电极界面：电子传输与离子转移气体通道－三相线电极界面活性化、纳米化YSZ——SOFC产业化首选电解质中国科学技术大学固体化学与无机膜研究所《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十一页，共二十一页，编辑于2023年，星期三10μmA10μmB592307SDC电解质的优点：1.中温下电导率高2.适合发展中低温电池高性能SDC电解质的SOFC的研制电解质——致密，约24um缺点：致密化困难目前没有大面积制备SDC电解质薄膜的技术报导浆料涂膜法制备SDC（厚度：20微米）性能达国际先进水平，低成本的浆料涂膜法将加快SDC基SOFC产业化870mW/cm2(650℃)《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十二页，共二十一页，编辑于2023年，星期三10μmBYCZfilmAnodesupportCathode20μm原位化学合成混合浆料喷涂灼烧高温质子导体（BaCeO3基材料）薄膜化-在国际上率先用低成本技术制得10微米级薄膜，获得中温高电池性能：580mW/cm2,700C基于质子导体的SOFC：

●

可以显著提高H2燃料的利用率●比SDC电池的OCV高，具有提高电池功率的潜力●离子传输和电池过程机理－基础研究课本实验室采用纳米粉体的三层共压法制得薄膜化电池，性能在国际上领先本工作的进一步创新和进展

(1）采用浆料涂覆法：规模化，高重现性，低成本（2）原位化学合成，可以进一步提高质量降低成本！《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十三页，共二十一页，编辑于2023年，星期三直接液氨燃料的陶瓷膜燃料电池（CMFC）基本出发点－NH3是良好的H2载体：NH3含75％摩尔的氢，作为燃料电池燃料时其排放物仅仅是H2O和N2。工业化液氨的能量密度高，是高压氢气（250atm）的11倍，而又具有价廉、储运方便、相对安全（比汽油还安全）、使用方便等所有液体燃料应有的品格结果：液氨燃料CMFC，中温（<700℃)高性能500mW/cm2

(BCGO），936mW/cm2（YSZ），1190mW/cm2（SDC）图液氨燃料氧离子导体陶瓷膜燃电池的性能：650℃，1190mW/cm2G.Y.Meng,C.RJiang,etal,J.PowerSources,173(2007)189

《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十四页，共二十一页，编辑于2023年，星期三氨（NH3）：优秀的能量（H2）载体和液态车用燃料●体积能量密度大约是汽油的一半,比液氢的能量密度大50％

●可以直接用作燃料，或先裂解成气态的氢再应用●在中等压力(5－10atm)和温度下以液态存在●氨燃烧不产生温室气体CO2

，也不含CO,SOx,orNOx

●是第2号化学品，全球1.3亿吨年产量。美国年耗量2000万吨。●具有广泛的应用经历和市场，有分布普遍的供应设施●

可以从H2O＋空气＋可再生能源制造。良好的自然界循环王宏模博士，“氨经济与中国的长盛久安”中国青年报，科技前沿版，2006年12月12日美国AmmoniaConference，（2004－）， 其论坛主题分别为：氨-对氢能挑战的一种解决（2004.10）；氨-氢能经济的关键（2005.10）；氨-美国能源独立的关键（2006.10）；氨-可持续的无污染燃料（2007.10）；氨-美国能源独立的关键（2008.09）

《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十五页，共二十一页，编辑于2023年，星期三直接碳氢燃料的阳极积碳问题－

SOFC/CMFC产业化和用于汽车的主要障碍◆利用纳米SDC＋Ru对Ni基阳极加以改性◆含C6H18（模拟汽油）的混合气为燃料基本上不积碳（50小时，但仍稍有退化）2006年中国两院院士投票：此为《2005年世界上十大国际科技进展的第7条》ZhanZ.L.,etal.,（美国西北大学）Science844(2005)308该文的严重问题和不足▲仍应用了贵金属（Ru）电极修饰▲阳极修饰过程复杂，不易重复▲燃料气中仅仅5.5%C6H18（异辛烷）

还有9%air+86%CO2，

事实上进入热力学上基本不形成C区域概念上的问题在于：试图直接使用汽油，而不是汽油的洁净取代物SOFC最大优点——燃料适应性强（碳氢燃料）《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十六页，共二十一页，编辑于2023年，星期三甲醇CHHHOH甲烷CHHHH乙醇CHHOHCHHH动力学分析：甲醇不容易积碳直接液态甲醇燃料陶瓷膜燃料电池

（LM－CMFC)——一项重大研究突破概念创新：燃料电池＝电池＋燃料

SOFC/CMFC在现阶段上应考虑适宜燃料甲醇气体为燃料的阳极室热力学分析结论：在500－900℃有积碳发生《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》第十七页，共二十一页，编辑于2023年，星期三不同燃料在650℃下0.5V放电下长期性能液体甲醇燃料电池在0.5V放电曲线进样系统甲醇甲烷乙醇长期性能好，无衰减重要结论：★甲醇以液态直接注入，类似汽车燃油喷加★甲醇为燃料无积碳，性能长期无衰减★同样电池，甲烷、乙醇皆严重积碳，证实了理论预测！

这一研究突破，为直接液体碳氢燃料CMFC汽车奠定了技术基础！《2009新能源与汽车工业国际高峰论坛》M.F.Liu,G.Y.Meng,J.PowerSources,185(2008)188-192第十八页，共二十一页，编辑于2023年，星期三甲醇燃料汽车和甲醇经济直接甲醇可以作为CMFC燃料而不积碳，使得“燃料电池汽车”这一人类梦想的实现之路，“柳暗花明又一村!”甲醇作为优异的清洁燃料有数十年历史（M15，M85，M100）甲醇直接用于CMFC，效率比DMFC高，更清洁（尾气易回收）大批量制造，资源丰富，比乙醇优越，无须与人畜争口粮作为汽车燃料可以方便的从ICE汽车向CMFC汽车过渡●甲醇经济已经初具规模，各种应用技术和供应设施已经基本齐全（美国甲醇研究院，AmericanMethanolInstitute，华盛顿）

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1994年诺贝尔化学奖得主G.A.Olah等2006年编著出版了“BeyondOilandGas:MethanolEconomy”

（跨越油气