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1、燃料电池汽车发展新途径与49能源 经济孟广耀（）中国科学技术大学 固体化学与无机膜研究所氢燃料电池汽车：前景光明还是未来难测？ 直接液态燃料的燃料电池汽车 49燃料经济与可持续发展 结论与展望2009新能源与汽车工业国际高峰论坛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
2、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 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510分使用寿命目前运转记录为10002000小时PEFC系统的成本批量生产仍高达$300/kW 空气的供给供:需12:1，特殊空气压缩机H2-燃料供应网站密度要超过当前汽油供应站铂的成本和供应超过全球铂的供应能力2001美国电动汽车资金分配：52% 燃料处理30% PEN相关材料18% 其它2009新能源与汽车工业国际高峰论坛燃料电池汽车： 前景光明还是未来难测？PEFC需要贵金属Pt为电极催化剂，发展PEFC汽车 工
3、业对Pt的要求远超出全球铂的供应能力， PEFC还需要特殊空气压缩机供给高比例的空气 （供:需12:1），技术难度高，成本增大。 需要纯氢燃料，供应难度高，其网站密度需超 过当前汽油供应站，投资巨大难以为市场接受 氢的制造仍主要基于化石资源， 加之储运、供 应等环节成本特高，对环境具有额外的污染排 放压力，这就抵销了排放产物仅仅是H2O这一优点 。传统的热机驱动的汽车 超过100年的发展历史， 结构相当合理、技术上简单可靠，制造成本已经很低 操作寿命超过10000小时，行程超过40万公里。大巴、货卡车、轮船和机车甚至 可以超过2.5万小时和100万公里 汽车制造商也在通过不断技术创新改进使汽车
4、能达到环境要求标准。例如，Toyota曾展示 四冲程循环内燃机，其尾气比美国洛杉基的典型空气还要清洁5倍 。基本结论： 只有直接液体燃料的燃料电池汽车具有技术经济竞争力！技术经济竞争力？2009新能源与汽车工业国际高峰论坛从燃料井到燃料电池效率比 较转变为 氢气压缩氢 或液氢氢的 运输SOFC MCFCPAFCPEFCAFC石油 和 天然 气井净化 脱硫 精炼 运输80 %60 %40 %20 %050%效率加 上附加损失效 率2009新能源与汽车工业国际高峰论坛洁净天然气电厂系统造价 ($/kW)05001000150020002500300035001 kW1 MW1 GWPEFC MCF
5、C 传统发电站 SOFC 2009新能源与汽车工业国际高峰论坛 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
6、国际高峰论坛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：35SOFC/CMFC汽车：502009新能源与汽车工业国际高峰论坛我们的追求：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
7、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中国科技大学研究团队在SOFC方面的研 究v1998年举办第97次香山科学会议新型固体 燃料电池v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；v先后承担12项国家自然基金项目（全国第一 ）v发表的SOFC相关SCI论文数在国际研究机构 中排名前五（国
8、内排名第一）v相关专利发明 20 2009新能源与汽车工业国际高峰论坛活化极化严重产业 化指标：300mW/cm2YSZ基薄膜制备备及界面优优化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YSZSOFC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10mA10mB592307SDC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电电解质质的SOFC的研制电解质致密，约24um缺点：致密
9、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10mBYCZ filmAnode supportCathode20m原位化学合成混合浆浆料 喷喷涂 灼烧烧高温质质子导导体（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：580 mW/cm2, 700 C基于质质子导导体的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
10、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 500m
11、W/cm2 (BCGO），936mW/cm2（YSZ），1190 mW/cm2（SDC）图 液氨燃料氧离子导体陶瓷膜燃 电池的性能：650， 1190mW/cm2 G.Y. Meng, C.R Jiang,et al, J. Power Sources, 173(2007) 189 2009新能源与汽车工业国际高峰论坛氨（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(510 atm)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, or NOx 是第2号化学品，
12、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 Ammonia Conference，（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直接碳氢燃料的阳极积碳问题 SOFC
13、/CMFC产业化和用于汽车的主要障碍利用纳米SDCRu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Zhan Z.L., et al., （美国西北大学） Science 844 (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
14、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甲醇CH HHOH甲烷CH HHH乙醇CHHOHCH HH动动力学分析：甲醇不容易积积碳直接液态甲醇燃料陶瓷膜燃料电池 （LMCMFC)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500900 有积碳发生2009新能源与汽车工业国际高峰论坛不同燃料在650下0.5V放电下长期性能液体甲醇燃料电池在0.5V放电曲线进样进样 系统统甲醇甲 烷乙醇长期性能好，无衰减重要结论结论 ： 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
15、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. Power Sources, 185(2008)188-192甲醇燃料汽车和甲醇经济v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!”v甲醇作为优异的清洁燃料有数十年历史（M15，M85，M100 ）v甲醇直接用于CMFC，效率比DMFC高，更清洁（尾气易回 收）v大批量制造，资源丰富，比乙醇优越，无须与人畜争口粮v作为汽车燃料可以方便的从IC
16、E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，American Methanol Institute， 华盛顿） 1994年诺贝尔化学奖得主G. A. Olah 等 2006年编著出版了“Beyond Oil and Gas: Methanol Economy” （跨越油气时代：甲醇经济）2009新能源与汽车工业国际高峰论坛甲醇/氨49燃料经济与可持续发展气 化 工艺CO， H2除尘、脱硫O2、H2O合成甲醇 （FT过程）合成氨CMFC电池液体燃料应用（开车、热能）液体燃料应用（开车、热能）用电 装置 与 产业图6：49能源路线纵览核电、凤电、太阳能核电
