燃料電池汽車發(fā)展新途徑與《49》能源經(jīng)濟(jì)PowerPo

燃料電池汽車發(fā)展新途徑與《49》能源經(jīng)濟(jì)

孟廣耀（mgym@）中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)固體化學(xué)與無機(jī)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(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展●結(jié)論與展望《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》

現(xiàn)代交通工具－現(xiàn)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(jī)

●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(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（以燃料電池發(fā)電為動力）

●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，

●對于PEFC－排放物H2O：“零污染”

氫經(jīng)濟(jì)，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(yán)峻PEMFC電動汽車前途未卜$PEMFC電動汽車六大技術(shù)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(yùn)轉(zhuǎn)記錄為1000－2000小時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——密度要超過當(dāng)前汽油供應(yīng)站鉑的成本和供應(yīng)——超過全球鉑的供應(yīng)能力2001美國電動汽車資金分配：

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(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?！鲂枰儦淙剂?，供應(yīng)難度高，其網(wǎng)站密度需超過當(dāng)前汽油供應(yīng)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(yùn)、供應(yīng)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(chǎn)物僅僅是H2O這一優(yōu)點。傳統(tǒng)的熱機(jī)驅(qū)動的汽車●超過100年的發(fā)展歷史，結(jié)構(gòu)相當(dāng)合理、技術(shù)上簡單可靠，制造成本已經(jīng)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(jī)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(shù)創(chuàng)新改進(jìn)使汽車能達(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具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力！技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(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(zhuǎn)化和利用效率最高，直接電能>60%,（電+熱）>80%●對燃料的廣泛適應(yīng)性

(H2,CH4,CO,CO+H2,生物質(zhì)氣)●

無須貴金屬電極

(優(yōu)于PEMFC)，可大規(guī)模發(fā)展●模塊式設(shè)計，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、移動電源.SOFCs技術(shù)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(jì)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?xì)淙剂系母鞣N汽車的估計效率★四沖程內(nèi)燃機(jī)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(shù)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(yīng)方式與目前的汽油網(wǎng)點一致，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(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衔锶剂希簿褪钦f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(xué)研究團(tuán)隊在SOFC方面的研究1998年舉辦第97次香山科學(xué)會議《新型固體燃料電池》此后，承擔(dān)5項863計劃項目，是國內(nèi)唯一獲得連續(xù)支持的單位；先后承擔(dān)12項國家自然基金項目（全國第一）發(fā)表的SOFC相關(guān)SCI論文數(shù)在國際研究機(jī)構(gòu)中排名前五（國內(nèi)排名第一）相關(guān)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(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(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)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)固體化學(xué)與無機(jī)膜研究所《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》10μmA10μmB592307SDC電解質(zhì)的優(yōu)點：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：致密化困難目前沒有大面積制備SDC電解質(zhì)薄膜的技術(shù)報導(dǎo)漿料涂膜法制備SDC（厚度：20微米）性能達(dá)國際先進(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新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》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-在國際上率先用低成本技術(shù)制得10微米級薄膜，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●離子傳輸和電池過程機(jī)理－基礎(chǔ)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(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(yùn)方便、相對安全（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(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號化學(xué)品，全球1.3億噸年產(chǎn)量。美國年耗量2000萬噸?！窬哂袕V泛的應(yīng)用經(jīng)歷和市場，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(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵（2005.10）；氨-美國能源獨立的關(guān)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(guān)鍵（2008.09）

《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》直接碳?xì)淙剂系年枠O積碳問題－

SOFC/CMFC產(chǎn)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(jìn)展的第7條》ZhanZ.L.,etal.,（美國西北大學(xué)）Science844(2005)308該文的嚴(yán)重問題和不足▲仍應(yīng)用了貴金屬（Ru）電極修飾▲陽極修飾過程復(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，

事實上進(jìn)入熱力學(xué)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(yīng)性強(qiáng)（碳?xì)淙剂希?009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(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(jìn)樣系統(tǒng)甲醇甲烷乙醇長期性能好，無衰減重要結(jié)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(yán)重積碳，證實了理論預(yù)測！

這一研究突破，為直接液體碳?xì)淙剂螩MFC汽車奠定了技術(shù)基礎(chǔ)！《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(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”這一人類夢想的實現(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(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（美國甲醇研究院，AmericanMethanolInstitute，華盛頓）

●

1994年諾貝爾化學(xué)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(jīng)濟(jì)）《2009新能源與汽車工業(yè)國際高峰論壇》甲醇/氨《49》燃料經(jīng)濟(jì)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(yīng)用（開車、熱能）液體燃料應(yīng)用（開車、熱能）用電裝置與產(chǎn)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(xué)的燃料載體，技術(shù)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(zhì)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(jīng)濟(jì)。（2）CMFC為代表的燃料電池為高效能量轉(zhuǎn)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(xué)循環(huán)。《2009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(xué)基金和科技部863項目經(jīng)費資助，

特此衷心致謝！Thankyouforyourattention!

謝謝諸位的關(guān)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