燃料电池汽车幻灯片.ppt

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1、燃料电池汽车第1页，共21页，编辑于2022年，星期一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，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解决途径燃料电池汽车燃料电池汽车（以燃料电池发电为动力）燃料的化学能直接转变为电能，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，从而燃料能转换效率高的多，对于对于PEFC排放物排放物H2O：“零污染零污染”氢经济，氢能社会氢经济，氢能社会2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能

2、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，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中国人均资源占有率相对很小,问题更为严峻问题更为严峻第2页，共21页，编辑于2022年，星期一PEMFC电动汽车前途未卜电动汽车前途未卜PEMFC电动汽车电动汽车六大技术障碍六大技术障碍自美国能源部启动时间启动时间电池启动快，但燃料处理要电池启动快，但燃料处理要510分分使用寿命使用寿命目前运转记录为目前运转记录为10002000小时小时PEFC系统的成本系统的成本批量生产仍高达批量生产仍高达$300/kW 空气的供给空气的供给供供:需需12:1，特殊空气压缩机

3、，特殊空气压缩机H2-燃料供应网站燃料供应网站密度要超过当前汽油供应站密度要超过当前汽油供应站铂的成本和供应铂的成本和供应超过全球铂的供应能力超过全球铂的供应能力2001美国电动汽车资金分配：美国电动汽车资金分配：52%燃料处理燃料处理30%PEN相关材料相关材料18%其它其它2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第3页，共21页，编辑于2022年，星期一燃料电池汽车：燃料电池汽车：前景光明还是未来难测？前景光明还是未来难测？PEFCPEFC需要需要贵金属贵金属PtPt为电极催化剂为电极催化剂，发展，发展PEFCPEFC汽车工业对汽车工业对PtPt的要求远超出全球铂的

4、供应能力，的要求远超出全球铂的供应能力，PEFCPEFC还需要特殊空气压缩机还需要特殊空气压缩机供给高比例的空气供给高比例的空气（供（供:需需12:112:1），技术难度高，成本增大。），技术难度高，成本增大。需要纯需要纯氢燃料，氢燃料，供应难度高，其网站密度需超过当前供应难度高，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氢的制造仍主要基于化石资源，加之储运、供加之储运、供 应等环节成本特高，对环境具有额外的污染排放压力，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这就抵销了排放产物仅仅是H2O

5、H2O这一优点这一优点。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？技术经济竞争力？2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第4页，共21页，编辑于2022年，星期一从燃料井到燃料电池效率比较从燃

6、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效率率2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第5页，共21页，编辑于2022年，星期一洁净天然气电厂系统造价洁净天然气电厂系统造价($/kW)0 05005001000100015001500200020002500250030003000350035001 kW1 kW1 MW1 MW1 GW1 GWPEFCMCFC传统发电站传统发电站SOFC2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际

7、高峰论坛第6页，共21页，编辑于2022年，星期一 燃料能的转化和利用效率最高，燃料能的转化和利用效率最高，直接电能直接电能 60%,（电（电+热）热）80%对燃料的广泛适应性对燃料的广泛适应性(H2,CH4,CO,CO+H2,生物质气生物质气)无须贵金属电极无须贵金属电极(优于优于PEMFC)，可大规模发展，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。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，操作方便全固态，结构稳定，操作方便（与（与MCFC等比较）等比较）应用多样、适应性广应用多样、适应性广 大、中、小型固定电站和分散电源、移动电源大、中、小型

8、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！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。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（固体氧化物燃料电池（SOFC）21世纪的绿色能源世纪的绿色能源2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第7页，共21页，编辑于2022年，星期一利用液态碳氢燃料的各种汽车的估计效率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：四冲程内燃机汽车：19柴油引擎汽车：柴油引擎汽车：25DMFC或或PEFC汽车：汽车：35SOFC/

9、CMFC汽车：汽车：502009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第8页，共21页，编辑于2022年，星期一我们的追求我们的追求：直接液态燃料的燃料电池汽车：直接液态燃料的燃料电池汽车PEFCPEFC汽车，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。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（汽车开发商们更为看好直接甲醇燃料电池（DMFCDMFC），因为甲醇是液体，具有比压缩），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。但氢气大的多的体积能量密度

10、，其供应方式与目前的汽油网点一致，安全清洁。但DMFCDMFC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，造商们不太了解的是，DMFCDMFC的燃料转换效率比的燃料转换效率比PEFCPEFC更低，目前的发展主要是针对更低，目前的发展主要是针对(也比较适合于也比较适合于)小功率体系应用。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（工程技术界更加推崇固体氧化物燃料电池（SOFCSOFC），），SOFCSOFC不仅不仅 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

11、料，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。鉴于也就是说可以直接应用液体燃料。鉴于SOFCSOFC的产业化进程远不如的产业化进程远不如PEFCPEFC 人们认为人们认为SOFCSOFC作为汽车动力目前是一种逻辑选择。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新能源与汽车工业国际高峰论坛第9页，共21页，编辑于2022年，星期一中国科技大学研究团队在中国科技大学研究团队在SOFC方面的研究方面的研究v1998年举办第年举办第97次香山科学会议次香山科学会议新型固体燃新型固体燃料电池料电池v此后，承担此后，承担5项项863

12、计划项目，是国内唯一获得计划项目，是国内唯一获得连续支持的单位；连续支持的单位；v先后承担先后承担12项国家自然基金项目（全国第一）项国家自然基金项目（全国第一）v发表的发表的SOFC相关相关SCI论文数在国际研究机构中论文数在国际研究机构中排名前五（国内排名第一）排名前五（国内排名第一）v相关专利发明相关专利发明202009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第10页，共21页，编辑于2022年，星期一活化极化严重产业化指标：300mW/cm2YSZ基薄膜制基薄膜制备及界面及界面优化化440mW/cm2通过界面优化显著降低了界面极化电阻，通过界面优化显著降低了界面极化电阻

13、，大大提高了电池性能大大提高了电池性能实现了实现了YSZ基基SOFC的中温化的中温化？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中国科学技术大学固体化学与无机膜研究所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新能源与汽车工业国际高峰论坛第11页，共21页，编辑于2022年，星期一10mA10mB592307SDC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高性能SDC电解解质的的SOFC的研制的研制电解质致密，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

14、法制备浆料涂膜法制备SDC（厚度：（厚度：20微米）微米）性能达国际先进水平性能达国际先进水平，低成本的，低成本的浆料涂膜法将加快浆料涂膜法将加快SDC基基SOFC产业化产业化870mW/cm2(650)2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第12页，共21页，编辑于2022年，星期一10mBYCZ filmAnode supportCathode20m原位化学合成原位化学合成混合混合浆料料喷涂涂灼灼烧高温高温质子子导体（体（BaCeO3基材料基材料）薄膜化）薄膜化-在国际上率先用低成本技术制得在国际上率先用低成本技术制得1010微米级薄膜微米级薄膜，获获得中温高电池

15、性能：得中温高电池性能：580 mW/cm2,700 C580 mW/cm2,700 C基于基于质子子导体的体的SOFC：可以显著提高可以显著提高H H2 2燃料的利用率燃料的利用率比比SDCSDC电池的电池的OCVOCV高，具有提高电池功率的潜力高，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本实验室采用纳米粉体的三层共压法制得薄膜化电池，制得薄膜化电池，性能在国际上领先性能在国际上领先本工作的进一步创新和进展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）采用浆料涂覆法：规模化，高重现性，低成

16、本（2）原位化学合成，可以进一步提高质量降低成本！）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新能源与汽车工业国际高峰论坛第13页，共21页，编辑于2022年，星期一直接液氨燃料的陶瓷膜燃料电池（直接液氨燃料的陶瓷膜燃料电池（CMFC）基本出发点基本出发点NHNH3 3是良好的是良好的H H2 2载体：载体：NH3含含75摩尔的氢，作为燃料电池燃料时其排放摩尔的氢，作为燃料电池燃料时其排放物仅仅是物仅仅是H2O和和N2。工业化液氨的能量密度高，是高压氢气（。工业化液氨的能量密度高，是高压氢气（250atm）的）的11倍，而倍，而又具有价廉、储运方便、相对安全

17、（比汽油还安全）、使用方便等所有液体燃料应又具有价廉、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有的品格结果：液氨燃料结果：液氨燃料CMFCCMFC，中温（，中温（700)700)高性能高性能 500mW/cm500mW/cm2 2 (BCGO(BCGO），），936mW/cm936mW/cm2 2（YSZYSZ），），1190 mW/cm1190 mW/cm2 2（SDCSDC）图图液氨燃料氧离子导体陶瓷膜燃液氨燃料氧离子导体陶瓷膜燃电池的性能：电池的性能：650，1190mW/cm2G.Y.Meng,C.RJiang,etal,J.PowerSources,173

18、(2007)189 2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第14页，共21页，编辑于2022年，星期一氨（氨（NH3）：优秀的能量（：优秀的能量（H2）载体和液态车用燃料）载体和液态车用燃料体积能量密度大约是汽油的一半体积能量密度大约是汽油的一半,比液氢的能量密度大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在中等压力(510atm)和温度下以液态存在和温度下以液态存在氨燃烧不产生温室气体氨燃烧不产生温室气体CO2，也不含，也不含CO,SOx,orNOx是第是第2号化学品，全球号化学品，全球1.

19、3亿吨年产量。美国年耗量亿吨年产量。美国年耗量2000万吨万吨。具有广泛的应用经历和市场，具有广泛的应用经历和市场，有分布普遍的供应设施有分布普遍的供应设施可以从可以从H2O空气可再生能源制造。良好的自然界循环空气可再生能源制造。良好的自然界循环王宏模博士，王宏模博士，“氨经济与中国的长盛久安氨经济与中国的长盛久安”中国青年报，中国青年报，科技前沿版，科技前沿版，2006年年12月月12日日美国美国AmmoniaConference，（，（2004），），其论坛主题分别为：其论坛主题分别为：氨氨-对氢能挑战的一种解决（对氢能挑战的一种解决（2004.10）；）；氨氨-氢能经济的关键（氢能经济的

20、关键（2005.10）；）；氨氨-美国能源独立的关键（美国能源独立的关键（2006.10）；）；氨氨-可持续的无污染燃料（可持续的无污染燃料（2007.10）；）；氨氨-美国能源独立的关键（美国能源独立的关键（2008.09）v 2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第15页，共21页，编辑于2022年，星期一直接碳氢燃料的阳极积碳问题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利用纳米SDCRu对对Ni基阳极加以改性基阳极加以改性含含C6H18（模拟汽油）的混合气为燃料（模拟汽油）的混合气为燃料基本上不积碳（基本上不积碳（50小时，

21、但仍稍有退化）小时，但仍稍有退化）2006年年中国两院院士投票：此为中国两院院士投票：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该文的严重问题和不足仍应用了贵金属（仍应用了贵金属（Ru）电极修饰）电极修饰阳极修饰过程复杂，不易重复阳极修饰过程复杂，不易重复燃料气中仅仅燃料气中仅仅5.5%C6H18（异辛烷）（异辛烷）还有还有9%air+86%CO2，事实上进入热力学上基本不形成事实上进入热力学上基本不形成C区域区域概念上的问题在于概念上的问题在于：试图直接使用汽油，而不是：试图直接使

22、用汽油，而不是汽油的洁净取代物汽油的洁净取代物SOFC最大优点最大优点燃料适应性强燃料适应性强（碳氢燃料）（碳氢燃料）2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第16页，共21页，编辑于2022年，星期一甲醇CHHHOH甲烷CHHHH乙醇CHHOHCHHH动力学分析：甲醇不容易力学分析：甲醇不容易积碳碳直接液态甲醇燃料陶瓷膜燃料电池直接液态甲醇燃料陶瓷膜燃料电池（LMCMFC)一项一项重大研究突破重大研究突破概念创新：燃料电池概念创新：燃料电池电池电池燃料燃料 SOFC/CMFC 在现阶段上应考虑适宜燃料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：在结论

23、：在500900有积碳发生有积碳发生2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第17页，共21页，编辑于2022年，星期一不同燃料在650下0.5V放电下长期性能液体甲醇燃料电池在0.5V放电曲线进样系系统甲醇甲烷乙醇长期性能好，无衰减重要重要结论：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这一研究突破，为直接液体碳氢燃料CMFC汽车奠汽车奠定了技术基础！定了技术基础！2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛M.F.Liu,G.Y.Meng,J

24、.PowerSources,185(2008)188-192第18页，共21页，编辑于2022年，星期一甲醇燃料汽车和甲醇经济甲醇燃料汽车和甲醇经济v直接甲醇可以作为直接甲醇可以作为CMFC燃料而不积碳，使得燃料而不积碳，使得“燃料电池汽车燃料电池汽车”这这一人类梦想的实现之路，一人类梦想的实现之路，“柳暗花明又一村柳暗花明又一村!”v甲醇作为优异的清洁燃料有数十年历史（甲醇作为优异的清洁燃料有数十年历史（M15，M85，M100）v甲醇直接用于甲醇直接用于CMFC，效率比，效率比DMFC高，更清洁（尾气易回收）高，更清洁（尾气易回收）v大批量制造，资源丰富，比乙醇优越，无须与人畜争口粮大批量

25、制造，资源丰富，比乙醇优越，无须与人畜争口粮v作为汽车燃料可以作为汽车燃料可以方便的方便的从从ICE汽车向汽车向CMFC汽车过渡汽车过渡 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，（美国甲醇研究院，AmericanMethanolInstitute，华盛顿华盛顿）1994年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主G.A.Olah等等2006年年编著出版了编著出版了“BeyondOilandGas:MethanolEconomy”（跨越油气时代：甲醇经济）（跨越油气时代：甲醇经济）2009新能源与汽车工业国际高峰论

26、坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第19页，共21页，编辑于2022年，星期一甲醇甲醇/氨氨49燃料经济与可持续发展燃料经济与可持续发展气气 化化工艺工艺CO，H2除尘、脱硫除尘、脱硫O2、H2O合成甲醇合成甲醇（FT过程）过程）合成氨合成氨CMFC 电池电池液体燃料应用（开车、热能）液体燃料应用（开车、热能）液体燃料应用（开车、热能）液体燃料应用（开车、热能）用电用电装置装置与与产业产业图图6：49能源路线能源路线纵览纵览核电、凤电、太阳能核电、凤电、太阳能核电、凤电、太阳能核电、凤电、太阳能高能效，节约化石能源高能效，节约化石能源5050100100 几无污染，几无污染，CO2减排容易和循环利

27、用减排容易和循环利用科学的燃料载体，技术上可行科学的燃料载体，技术上可行不依赖汽油，安全、和谐不依赖汽油，安全、和谐CO2减排减排化化石石燃燃料料 煤煤、天天然然气气、石石油油、废煤矿、气井废煤矿、气井生生物物质质资资源源 秸秸 秆秆、树树 木木、杂草、垃圾杂草、垃圾49能源路线能源路线：（1）甲醇）甲醇/氨为能量载体氨为能量载体（分子量之和为（分子量之和为49），发展），发展49燃料经济。燃料经济。（2）CMFC为代表的燃料电为代表的燃料电池为高效能量转换器池为高效能量转换器（3）发展直接）发展直接49液体燃料液体燃料电池汽车电池汽车（4）用）用CMFC的逆过程，从的逆过程，从CO2+H2O制备甲醇和氨，形成制备甲醇和氨，形成资源的科学循环。资源的科学循环。2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第20页，共21页，编辑于2022年，星期一致谢致谢本工作得到国家自然科学基金和科技部本工作得到国家自然科学基金和科技部863项目经费资助，项目经费资助，特此衷心致谢！特此衷心致谢！vThank you for your attention!v谢谢诸位的关注！谢谢诸位的关注！2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛第21页，共21页，编辑于2022年，星期一