燃料电池汽车发展新途径与《49》能源经济-PowerPo

燃料电池汽车发展新途径与《49》能源经济孟广耀（[e-mail]）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5－10分使用寿命——目前运转记录为1000－2000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)05001000150020002500300035001kW1MW1GWPEFCMCFC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：35％★SOFC/CMFC汽车：50％《2009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1998年举办第97次香山科学会议《新型固体燃料电池》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；先后承担12项国家自然基金项目（全国第一）发表的SOFC相关SCI论文数在国际研究机构中排名前五（国内排名第一）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0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250300350400Powerdensity,mWcm-2Currentdensity,mAcm-2Voltage,V600oC650oC0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250300350400450500Powerdensity,mWcm-2Currentdensity,mAcm-2Voltage,V600oC650oC0123450.00.40.81.21.60123450.00.51.01.50123450.00.20.40.60.8-Z'',cm2-Z'',cm2Z',cm2-Z'',cm2Z',cm2600OC650OCIII600OC650OC600OC650OCIII产业化指标：300mW/cm2YSZ基薄膜制备及界面优化02004006000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250Powerdensity,mWcm-2Currentdensity,mAcm-2Voltage,V600oC650oC440mW/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YSZ——SOFC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》10μmA10μmB04008001200160020002400280032000.20.40.60.81.0Currentdensity,mAcm-2Voltage,V650oC600oC550oC0100200300400500600700800900Powerdensity,mWcm-2592307SDC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电解质的SOFC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》1020304050607080(111)(222)(100)(310)(220)(211)(200)(110)intensity2AngleCubicPerovskiteLatticeParameter:a=4.3757angstrom10μmBYCZfilmAnodesupportCathode20μm0300600900120015000.20.40.60.81.0050100150200250300350400450500550600Currentdensity,mAcm-2Powerdensity,mWcm-2Voltage,V700oC650oC600oC原位化学合成混合浆料喷涂灼烧高温质子导体（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：580mW/cm2,700C基于质子导体的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500mW/cm2(BCGO），936mW/cm2（YSZ），1190mW/cm2（SDC）图液氨燃料氧离子导体陶瓷膜燃电池的性能：650℃，1190mW/cm2G.Y.Meng,C.RJiang,etal,J.PowerSources,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(5－10atm)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,orNOx●是第2号化学品，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AmmoniaConference，（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/CMFC产业化和用于汽车的主要障碍◆利用纳米SDC＋Ru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》ZhanZ.L.,etal.,（美国西北大学）Science844(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CHHHOH甲烷CHHHH乙醇CHHOHCHHH动力学分析：甲醇不容易积碳直接液态甲醇燃料陶瓷膜燃料电池（LM－CMFC)——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50060070080090010000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0H2OCCO2CH4COH2temperature,oCCH4CO2COH