燃料電池汽車發(fā)展新途徑與《49》能源經濟PowerPo

燃料電池汽車發(fā)展新途徑與《49》能源經濟

孟廣耀（mgym@）中國科學技術大學固體化學與無機膜研究所●氫燃料電池汽車：前景光明還是未來難測？●直接液態(tài)燃料的燃料電池汽車●《49》燃料經濟與可持續(xù)發(fā)展●結論與展望《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》

現代交通工具－現代文明的重要組成部分，

動力主要是來自汽油或柴油為燃料的發(fā)動機

●燃料利用效率低，消耗了很大比例的能源資源，

●同時造成了嚴重的環(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（以燃料電池發(fā)電為動力）

●燃料的化學能直接轉變?yōu)殡娔埽?/p>

從而燃料能轉換效率高的多，

●對于PEFC－排放物H2O：“零污染”

氫經濟，氫能社會

《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》能源、環(huán)境與資源－可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，中國人均資源占有率相對很小,問題更為嚴峻PEMFC電動汽車前途未卜$PEMFC電動汽車六大技術障礙

——自美國能源部啟動時間——電池啟動快，但燃料處理要5－10分使用壽命——目前運轉記錄為1000－2000小時PEFC系統(tǒng)的成本——批量生產仍高達$300/kW

空氣的供給——供:需＝12:1，特殊空氣壓縮機H2-燃料供應網站——密度要超過當前汽油供應站鉑的成本和供應——超過全球鉑的供應能力2001美國電動汽車資金分配：

52%燃料處理

30%

PEN相關材料

18%其它《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》燃料電池汽車：

前景光明還是未來難測？

■PEFC需要貴金屬Pt為電極催化劑，發(fā)展PEFC汽車工業(yè)對Pt的要求遠超出全球鉑的供應能力，■

PEFC還需要特殊空氣壓縮機供給高比例的空氣（供:需＝12:1），技術難度高，成本增大?！鲂枰儦淙剂希y度高，其網站密度需超過當前汽油供應站，投資巨大難以為市場接受■氫的制造仍主要基于化石資源，加之儲運、供應等環(huán)節(jié)成本特高，對環(huán)境具有額外的污染排放壓力，這就抵銷了排放產物僅僅是H2O這一優(yōu)點。傳統(tǒng)的熱機驅動的汽車●超過100年的發(fā)展歷史，結構相當合理、技術上簡單可靠，制造成本已經很低●操作壽命超過10000小時，行程超過40萬公里。大巴、貨卡車、輪船和機車甚至可以超過2.5萬小時和100萬公里●汽車制造商也在通過不斷技術創(chuàng)新改進使汽車能達到環(huán)境要求標準。例如，Toyota曾展示四沖程循環(huán)內燃機，其尾氣比美國洛杉基的典型空氣還要清潔5倍?；窘Y論：只有直接液體燃料的燃料電池汽車具有技術經濟競爭力！技術經濟競爭力？《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》從燃料井到燃料電池效率比較轉變?yōu)闅錃鈮嚎s氫或液氫氫的運輸SOFCMCFCPAFCPEFCAFC石油和天然氣井凈化脫硫精煉運輸80%60%40%20%050%效率加上附加損失效率《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》潔凈天然氣電廠系統(tǒng)造價($/kW)05001000150020002500300035001kW1MW1GWPEFC

MCFC

傳統(tǒng)發(fā)電站SOFC《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》●

燃料能的轉化和利用效率最高，直接電能>60%,（電+熱）>80%●對燃料的廣泛適應性

(H2,CH4,CO,CO+H2,生物質氣)●

無須貴金屬電極

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

●

全固態(tài)，結構穩(wěn)定，操作方便（與MCFC等比較）

●

應用多樣、適應性廣－大、中、小型固定電站和分散電源、移動電源.SOFCs技術最有希望成為人類從化石能源向氫能社會過渡的橋梁！受到世界各國的普遍重視和大力投資研發(fā)。

固體氧化物燃料電池（SOFC）

—21世紀的綠色能源《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》利用液態(tài)碳氫燃料的各種汽車的估計效率★四沖程內燃機汽車：19％★柴油引擎汽車：25％★DMFC或PEFC汽車：35％★SOFC/CMFC汽車：50％《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》我們的追求：直接液態(tài)燃料的燃料電池汽車●PEFC汽車，直接利用純氫（氣）燃料－技術難度高，制造成本高，對環(huán)境壓力大?！衿囬_發(fā)商們更為看好直接甲醇燃料電池（DMFC），因為甲醇是液體，具有比壓縮氫氣大的多的體積能量密度，其供應方式與目前的汽油網點一致，安全清潔。但DMFC也是采用質子交換膜電解質，低溫操作和必須使用貴金屬鉑。另外，一般汽車制造商們不太了解的是，DMFC的燃料轉換效率比PEFC更低，目前的發(fā)展主要是針對(也比較適合于)小功率體系應用?！窆こ碳夹g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換效率，主要的是可以直接使用碳氫化合物燃料，也就是說可以直接應用液體燃料。鑒于SOFC的產業(yè)化進程遠不如PEFC人們認為SOFC作為汽車動力目前是一種邏輯選擇?！?009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》中國科技大學研究團隊在SOFC方面的研究1998年舉辦第97次香山科學會議《新型固體燃料電池》此后，承擔5項863計劃項目，是國內唯一獲得連續(xù)支持的單位；先后承擔12項國家自然基金項目（全國第一）發(fā)表的SOFC相關SCI論文數在國際研究機構中排名前五（國內排名第一）相關專利發(fā)明>20《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》活化極化嚴重產業(yè)化指標：300mW/cm2YSZ基薄膜制備及界面優(yōu)化440mW/cm2通過界面優(yōu)化顯著降低了界面極化電阻，大大提高了電池性能實現了YSZ基SOFC的中溫化？電解質、電極界面：電子傳輸與離子轉移氣體通道－三相線電極界面活性化、納米化YSZ——SOFC產業(yè)化首選電解質中國科學技術大學固體化學與無機膜研究所《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》10μmA10μmB592307SDC電解質的優(yōu)點：1.中溫下電導率高2.適合發(fā)展中低溫電池高性能SDC電解質的SOFC的研制電解質——致密，約24um缺點：致密化困難目前沒有大面積制備SDC電解質薄膜的技術報導漿料涂膜法制備SDC（厚度：20微米）性能達國際先進水平，低成本的漿料涂膜法將加快SDC基SOFC產業(yè)化870mW/cm2(650℃)《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》10μmBYCZfilmAnodesupportCathode20μm原位化學合成混合漿料噴涂灼燒高溫質子導體（BaCeO3基材料）薄膜化-在國際上率先用低成本技術制得10微米級薄膜，獲得中溫高電池性能：580mW/cm2,700C基于質子導體的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●離子傳輸和電池過程機理－基礎研究課本實驗室采用納米粉體的三層共壓法制得薄膜化電池，性能在國際上領先本工作的進一步創(chuàng)新和進展

(1）采用漿料涂覆法：規(guī)模化，高重現性，低成本（2）原位化學合成，可以進一步提高質量降低成本！《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》直接液氨燃料的陶瓷膜燃料電池（CMFC）基本出發(fā)點－NH3是良好的H2載體：NH3含75％摩爾的氫，作為燃料電池燃料時其排放物僅僅是H2O和N2。工業(yè)化液氨的能量密度高，是高壓氫氣（250atm）的11倍，而又具有價廉、儲運方便、相對安全（比汽油還安全）、使用方便等所有液體燃料應有的品格結果：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新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》氨（NH3）：優(yōu)秀的能量（H2）載體和液態(tài)車用燃料●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)的氫再應用●在中等壓力(5－10atm)和溫度下以液態(tài)存在●氨燃燒不產生溫室氣體CO2

，也不含CO,SOx,orNOx

●是第2號化學品，全球1.3億噸年產量。美國年耗量2000萬噸?！窬哂袕V泛的應用經歷和市場，有分布普遍的供應設施●

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，“氨經濟與中國的長盛久安”中國青年報，科技前沿版，2006年12月12日美國AmmoniaConference，（2004－）， 其論壇主題分別為：氨-對氫能挑戰(zhàn)的一種解決（2004.10）；氨-氫能經濟的關鍵（2005.10）；氨-美國能源獨立的關鍵（2006.10）；氨-可持續(xù)的無污染燃料（2007.10）；氨-美國能源獨立的關鍵（2008.09）

《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》直接碳氫燃料的陽極積碳問題－

SOFC/CMFC產業(yè)化和用于汽車的主要障礙◆利用納米SDC＋Ru對Ni基陽極加以改性◆含C6H18（模擬汽油）的混合氣為燃料基本上不積碳（50小時，但仍稍有退化）2006年中國兩院院士投票：此為《2005年世界上十大國際科技進展的第7條》ZhanZ.L.,etal.,（美國西北大學）Science844(2005)308該文的嚴重問題和不足▲仍應用了貴金屬（Ru）電極修飾▲陽極修飾過程復雜，不易重復▲燃料氣中僅僅5.5%C6H18（異辛烷）

還有9%air+86%CO2，

事實上進入熱力學上基本不形成C區(qū)域概念上的問題在于：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——燃料適應性強（碳氫燃料）《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》甲醇CHHHOH甲烷CHHHH乙醇CHHOHCHHH動力學分析：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)——一項重大研究突破概念創(chuàng)新：燃料電池＝電池＋燃料

SOFC/CMFC在現階段上應考慮適宜燃料甲醇氣體為燃料的陽極室熱力學分析結論：在500－900℃有積碳發(fā)生《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》不同燃料在650℃下0.5V放電下長期性能液體甲醇燃料電池在0.5V放電曲線進樣系統(tǒng)甲醇甲烷乙醇長期性能好，無衰減重要結論：★甲醇以液態(tài)直接注入，類似汽車燃油噴加★甲醇為燃料無積碳，性能長期無衰減★同樣電池，甲烷、乙醇皆嚴重積碳，證實了理論預測！

這一研究突破，為直接液體碳氫燃料CMFC汽車奠定了技術基礎！《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》M.F.Liu,G.Y.Meng,J.PowerSources,185(2008)188-192甲醇燃料汽車和甲醇經濟直接甲醇可以作為CMFC燃料而不積碳，使得“燃料電池汽車”這一人類夢想的實現之路，“柳暗花明又一村!”甲醇作為優(yōu)異的清潔燃料有數十年歷史（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，無須與人畜爭口糧作為汽車燃料可以方便的從ICE汽車向CMFC汽車過渡●甲醇經濟已經初具規(guī)模，各種應用技術和供應設施已經基本齊全（美國甲醇研究院，AmericanMethanolInstitute，華盛頓）

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1994年諾貝爾化學獎得主G.A.Olah等2006年編著出版了“BeyondOilandGas:MethanolEconomy”

（跨越油氣時代：甲醇經濟）《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》甲醇/氨《49》燃料經濟與可持續(xù)發(fā)展氣化工藝CO，H2除塵、脫硫O2、H2O合成甲醇（FT過程）合成氨CMFC

電池液體燃料應用（開車、熱能）液體燃料應用（開車、熱能）用電裝置與產業(yè)圖6：《49能源路線》縱覽核電、鳳電、太陽能核電、鳳電、太陽能●高能效，節(jié)約化石能源50％－100％●幾無污染，CO2減排容易和循環(huán)利用●科學的燃料載體，技術上可行●不依賴汽油，安全、和諧CO2減排化石燃料－煤、天然氣、石油、廢煤礦、氣井生物質資源－秸稈、樹木、雜草、垃圾《49能源路線》：（1）甲醇/氨為能量載體（分子量之和為49），發(fā)展49燃料經濟。（2）CMFC為代表的燃料電池為高效能量轉換器（3）發(fā)展直接《49》液體燃料電池汽車（4）用CMFC的逆過程，從CO2+H2O制備甲醇和氨，形成資源的科學循環(huán)?！?009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》致謝

本工作得到國家自然科學基金和科技部863項目經費資助，

特此衷心致謝！Thankyouforyourattention!

謝謝諸位的關注！《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。1月-251月-25Sunday,January5,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。14:17:2614:17:2614:171/5/20252:17:26P