燃料電池汽車(chē)

燃料電池汽車(chē)第一頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三

現(xiàn)代交通工具－現(xiàn)代文明的重要組成部分，

動(dòng)力主要是來(lái)自汽油或柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)

●燃料利用效率低，消耗了很大比例的能源資源，

●同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，特別是城市的環(huán)境污染

解決途徑燃料電池汽車(chē)（以燃料電池發(fā)電為動(dòng)力）

●燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/p>

從而燃料能轉(zhuǎn)換效率高的多，

●對(duì)于PEFC－排放物H2O：“零污染”

氫經(jīng)濟(jì)，氫能社會(huì)

《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》能源、環(huán)境與資源－可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，中國(guó)人均資源占有率相對(duì)很小,問(wèn)題更為嚴(yán)峻第二頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三PEMFC電動(dòng)汽車(chē)前途未卜$PEMFC電動(dòng)汽車(chē)六大技術(shù)障礙

——自美國(guó)能源部啟動(dòng)時(shí)間——電池啟動(dòng)快，但燃料處理要5－10分使用壽命——目前運(yùn)轉(zhuǎn)記錄為1000－2000小時(shí)PEFC系統(tǒng)的成本——批量生產(chǎn)仍高達(dá)$300/kW

空氣的供給——供:需＝12:1，特殊空氣壓縮機(jī)H2-燃料供應(yīng)網(wǎng)站——密度要超過(guò)當(dāng)前汽油供應(yīng)站鉑的成本和供應(yīng)——超過(guò)全球鉑的供應(yīng)能力2001美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)資金分配：

52%燃料處理

30%

PEN相關(guān)材料

18%其它《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第三頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三燃料電池汽車(chē)：

前景光明還是未來(lái)難測(cè)？

■PEFC需要貴金屬Pt為電極催化劑，發(fā)展PEFC汽車(chē)工業(yè)對(duì)Pt的要求遠(yuǎn)超出全球鉑的供應(yīng)能力，■PEFC還需要特殊空氣壓縮機(jī)供給高比例的空氣（供:需＝12:1），技術(shù)難度高，成本增大。■需要純氫燃料，供應(yīng)難度高，其網(wǎng)站密度需超過(guò)當(dāng)前汽油供應(yīng)站，投資巨大難以為市場(chǎng)接受■氫的制造仍主要基于化石資源，加之儲(chǔ)運(yùn)、供應(yīng)等環(huán)節(jié)成本特高，對(duì)環(huán)境具有額外的污染排放壓力，這就抵銷(xiāo)了排放產(chǎn)物僅僅是H2O這一優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)●超過(guò)100年的發(fā)展歷史，結(jié)構(gòu)相當(dāng)合理、技術(shù)上簡(jiǎn)單可靠，制造成本已經(jīng)很低●操作壽命超過(guò)10000小時(shí)，行程超過(guò)40萬(wàn)公里。大巴、貨卡車(chē)、輪船和機(jī)車(chē)甚至可以超過(guò)2.5萬(wàn)小時(shí)和100萬(wàn)公里●汽車(chē)制造商也在通過(guò)不斷技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)使汽車(chē)能達(dá)到環(huán)境要求標(biāo)準(zhǔn)。例如，Toyota曾展示四沖程循環(huán)內(nèi)燃機(jī)，其尾氣比美國(guó)洛杉基的典型空氣還要清潔5倍?；窘Y(jié)論：只有直接液體燃料的燃料電池汽車(chē)具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力！技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力？《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第四頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三從燃料井到燃料電池效率比較轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃鈮嚎s氫或液氫氫的運(yùn)輸SOFCMCFCPAFCPEFCAFC石油和天然氣井凈化脫硫精煉運(yùn)輸80%60%40%20%050%效率加上附加損失效率《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第五頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三潔凈天然氣電廠系統(tǒng)造價(jià)($/kW)05001000150020002500300035001kW1MW1GWPEFC

MCFC

傳統(tǒng)發(fā)電站SOFC《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第六頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三●

燃料能的轉(zhuǎn)化和利用效率最高，直接電能>60%,（電+熱）>80%●對(duì)燃料的廣泛適應(yīng)性

(H2,CH4,CO,CO+H2,生物質(zhì)氣)●

無(wú)須貴金屬電極

(優(yōu)于PEMFC)，可大規(guī)模發(fā)展●模塊式設(shè)計(jì)，放大方便，效率基本不隨規(guī)模、功率而變。

●

全固態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作方便（與MCFC等比較）

●

應(yīng)用多樣、適應(yīng)性廣－大、中、小型固定電站和分散電源、移動(dòng)電源.SOFCs技術(shù)最有希望成為人類(lèi)從化石能源向氫能社會(huì)過(guò)渡的橋梁！受到世界各國(guó)的普遍重視和大力投資研發(fā)。

固體氧化物燃料電池（SOFC）

—21世紀(jì)的綠色能源《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第七頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三利用液態(tài)碳?xì)淙剂系母鞣N汽車(chē)的估計(jì)效率★四沖程內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)：19％★柴油引擎汽車(chē)：25％★DMFC或PEFC汽車(chē)：35％★SOFC/CMFC汽車(chē)：50％《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第八頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三我們的追求：直接液態(tài)燃料的燃料電池汽車(chē)●PEFC汽車(chē)，直接利用純氫（氣）燃料－技術(shù)難度高，制造成本高，對(duì)環(huán)境壓力大?！衿?chē)開(kāi)發(fā)商們更為看好直接甲醇燃料電池（DMFC），因?yàn)榧状际且后w，具有比壓縮氫氣大的多的體積能量密度，其供應(yīng)方式與目前的汽油網(wǎng)點(diǎn)一致，安全清潔。但DMFC也是采用質(zhì)子交換膜電解質(zhì)，低溫操作和必須使用貴金屬鉑。另外，一般汽車(chē)制造商們不太了解的是，DMFC的燃料轉(zhuǎn)換效率比PEFC更低，目前的發(fā)展主要是針對(duì)(也比較適合于)小功率體系應(yīng)用?！窆こ碳夹g(shù)界更加推崇固體氧化物燃料電池（SOFC），SOFC不僅具有最高的能量轉(zhuǎn)換效率，主要的是可以直接使用碳?xì)浠衔锶剂?，也就是說(shuō)可以直接應(yīng)用液體燃料。鑒于SOFC的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程遠(yuǎn)不如PEFC

人們認(rèn)為SOFC作為汽車(chē)動(dòng)力目前是一種邏輯選擇?！?009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第九頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三中國(guó)科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在SOFC方面的研究1998年舉辦第97次香山科學(xué)會(huì)議《新型固體燃料電池》此后，承擔(dān)5項(xiàng)863計(jì)劃項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)唯一獲得連續(xù)支持的單位；先后承擔(dān)12項(xiàng)國(guó)家自然基金項(xiàng)目（全國(guó)第一）發(fā)表的SOFC相關(guān)SCI論文數(shù)在國(guó)際研究機(jī)構(gòu)中排名前五（國(guó)內(nèi)排名第一）相關(guān)專(zhuān)利發(fā)明>20《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三活化極化嚴(yán)重產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)：300mW/cm2YSZ基薄膜制備及界面優(yōu)化440mW/cm2通過(guò)界面優(yōu)化顯著降低了界面極化電阻，大大提高了電池性能實(shí)現(xiàn)了YSZ基SOFC的中溫化？電解質(zhì)、電極界面：電子傳輸與離子轉(zhuǎn)移氣體通道－三相線電極界面活性化、納米化YSZ——SOFC產(chǎn)業(yè)化首選電解質(zhì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)固體化學(xué)與無(wú)機(jī)膜研究所《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十一頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三10μmA10μmB592307SDC電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)：1.中溫下電導(dǎo)率高2.適合發(fā)展中低溫電池高性能SDC電解質(zhì)的SOFC的研制電解質(zhì)——致密，約24um缺點(diǎn)：致密化困難目前沒(méi)有大面積制備SDC電解質(zhì)薄膜的技術(shù)報(bào)導(dǎo)漿料涂膜法制備SDC（厚度：20微米）性能達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，低成本的漿料涂膜法將加快SDC基SOFC產(chǎn)業(yè)化870mW/cm2(650℃)《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十二頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三10μmBYCZfilmAnodesupportCathode20μm原位化學(xué)合成混合漿料噴涂灼燒高溫質(zhì)子導(dǎo)體（BaCeO3基材料）薄膜化-在國(guó)際上率先用低成本技術(shù)制得10微米級(jí)薄膜，獲得中溫高電池性能：580mW/cm2,700C基于質(zhì)子導(dǎo)體的SOFC：

●

可以顯著提高H2燃料的利用率●比SDC電池的OCV高，具有提高電池功率的潛力●離子傳輸和電池過(guò)程機(jī)理－基礎(chǔ)研究課本實(shí)驗(yàn)室采用納米粉體的三層共壓法制得薄膜化電池，性能在國(guó)際上領(lǐng)先本工作的進(jìn)一步創(chuàng)新和進(jìn)展

(1）采用漿料涂覆法：規(guī)?；咧噩F(xiàn)性，低成本（2）原位化學(xué)合成，可以進(jìn)一步提高質(zhì)量降低成本！《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十三頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三直接液氨燃料的陶瓷膜燃料電池（CMFC）基本出發(fā)點(diǎn)－NH3是良好的H2載體：NH3含75％摩爾的氫，作為燃料電池燃料時(shí)其排放物僅僅是H2O和N2。工業(yè)化液氨的能量密度高，是高壓氫氣（250atm）的11倍，而又具有價(jià)廉、儲(chǔ)運(yùn)方便、相對(duì)安全（比汽油還安全）、使用方便等所有液體燃料應(yīng)有的品格結(jié)果：液氨燃料CMFC，中溫（<700℃)高性能500mW/cm2

(BCGO），936mW/cm2（YSZ），1190mW/cm2（SDC）圖液氨燃料氧離子導(dǎo)體陶瓷膜燃電池的性能：650℃，1190mW/cm2G.Y.Meng,C.RJiang,etal,J.PowerSources,173(2007)189

《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十四頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三氨（NH3）：優(yōu)秀的能量（H2）載體和液態(tài)車(chē)用燃料●體積能量密度大約是汽油的一半,比液氫的能量密度大50％

●可以直接用作燃料，或先裂解成氣態(tài)的氫再應(yīng)用●在中等壓力(5－10atm)和溫度下以液態(tài)存在●氨燃燒不產(chǎn)生溫室氣體CO2

，也不含CO,SOx,orNOx

●是第2號(hào)化學(xué)品，全球1.3億噸年產(chǎn)量。美國(guó)年耗量2000萬(wàn)噸?！窬哂袕V泛的應(yīng)用經(jīng)歷和市場(chǎng)，有分布普遍的供應(yīng)設(shè)施●

可以從H2O＋空氣＋可再生能源制造。良好的自然界循環(huán)王宏模博士，“氨經(jīng)濟(jì)與中國(guó)的長(zhǎng)盛久安”中國(guó)青年報(bào)，科技前沿版，2006年12月12日美國(guó)AmmoniaConference，（2004－）， 其論壇主題分別為：氨-對(duì)氫能挑戰(zhàn)的一種解決（2004.10）；氨-氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵（2005.10）；氨-美國(guó)能源獨(dú)立的關(guān)鍵（2006.10）；氨-可持續(xù)的無(wú)污染燃料（2007.10）；氨-美國(guó)能源獨(dú)立的關(guān)鍵（2008.09）

《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十五頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三直接碳?xì)淙剂系年?yáng)極積碳問(wèn)題－

SOFC/CMFC產(chǎn)業(yè)化和用于汽車(chē)的主要障礙◆利用納米SDC＋Ru對(duì)Ni基陽(yáng)極加以改性◆含C6H18（模擬汽油）的混合氣為燃料基本上不積碳（50小時(shí)，但仍稍有退化）2006年中國(guó)兩院院士投票：此為《2005年世界上十大國(guó)際科技進(jìn)展的第7條》ZhanZ.L.,etal.,（美國(guó)西北大學(xué)）Science844(2005)308該文的嚴(yán)重問(wèn)題和不足▲仍應(yīng)用了貴金屬（Ru）電極修飾▲陽(yáng)極修飾過(guò)程復(fù)雜，不易重復(fù)▲燃料氣中僅僅5.5%C6H18（異辛烷）

還有9%air+86%CO2，

事實(shí)上進(jìn)入熱力學(xué)上基本不形成C區(qū)域概念上的問(wèn)題在于：試圖直接使用汽油，而不是汽油的潔凈取代物SOFC最大優(yōu)點(diǎn)——燃料適應(yīng)性強(qiáng)（碳?xì)淙剂希?009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十六頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三甲醇CHHHOH甲烷CHHHH乙醇CHHOHCHHH動(dòng)力學(xué)分析：甲醇不容易積碳直接液態(tài)甲醇燃料陶瓷膜燃料電池

（LM－CMFC)——一項(xiàng)重大研究突破概念創(chuàng)新：燃料電池＝電池＋燃料

SOFC/CMFC在現(xiàn)階段上應(yīng)考慮適宜燃料甲醇?xì)怏w為燃料的陽(yáng)極室熱力學(xué)分析結(jié)論：在500－900℃有積碳發(fā)生《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》第十七頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三不同燃料在650℃下0.5V放電下長(zhǎng)期性能液體甲醇燃料電池在0.5V放電曲線進(jìn)樣系統(tǒng)甲醇甲烷乙醇長(zhǎng)期性能好，無(wú)衰減重要結(jié)論：★甲醇以液態(tài)直接注入，類(lèi)似汽車(chē)燃油噴加★甲醇為燃料無(wú)積碳，性能長(zhǎng)期無(wú)衰減★同樣電池，甲烷、乙醇皆嚴(yán)重積碳，證實(shí)了理論預(yù)測(cè)！

這一研究突破，為直接液體碳?xì)淙剂螩MFC汽車(chē)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)！《2009新能源與汽車(chē)工業(yè)國(guó)際高峰論壇》M.F.Liu,G.Y.Meng,J.PowerSources,185(2008)188-192第十八頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三甲醇燃料汽車(chē)和甲醇經(jīng)濟(jì)直接甲醇可以作為CMFC燃料而不積碳，使得“燃料電池汽車(chē)”這一人類(lèi)夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)之路，“柳暗花明又一村!”甲醇作為優(yōu)異的清潔燃料有數(shù)十年歷史（M15，M85，M100）甲醇直接用于CMFC，效率比DMFC高，更清潔（尾氣易回收）大批量制造，資源豐富，比乙醇優(yōu)越，無(wú)須與人畜爭(zhēng)口糧作為汽車(chē)燃料可以方便的從ICE汽車(chē)向CMFC汽車(chē)過(guò)渡●甲醇經(jīng)濟(jì)已經(jīng)初具規(guī)模，各種應(yīng)用技術(shù)和供應(yīng)設(shè)施已經(jīng)基本齊全（美國(guó)甲醇研究院，AmericanMethanolInstitute，華盛頓）

●

1994年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主G.A.Olah等2006年編著出版了“BeyondOilandGas:MethanolEconomy”

（跨越油氣