2021推荐燃料电池汽车课件.ppt
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1、燃料电池汽车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源与汽车工业国际高峰论坛能源、环
2、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 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$300/kW 空气的供给空气的供给供供:需需12:1,特殊空气压缩机,特殊空气压缩机H2-燃料供应网站燃料供应网站密度要超过当前汽油供应站密
3、度要超过当前汽油供应站铂的成本和供应铂的成本和供应超过全球铂的供应能力超过全球铂的供应能力2001美国电动汽车资金分配:美国电动汽车资金分配:52%燃料处理燃料处理30%PEN相关材料相关材料18%其它其它2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛燃料电池汽车:燃料电池汽车:前景光明还是未来难测?前景光明还是未来难测? PEFCPEFC需要需要贵金属贵金属PtPt为电极催化剂为电极催化剂,发展,发展PEFCPEFC汽汽车工业对车工业对PtPt的要求远超出全球铂的供应能力,的要求远超出全球铂的供应能力, PEFCPEFC还需要特殊空气压缩机还需要特殊空气压缩机供给高比例的空
4、气供给高比例的空气(供(供: :需需12:112:1),技术难度高,成本增大。),技术难度高,成本增大。需要纯需要纯氢燃料,氢燃料,供应难度高,其网站密度需超供应难度高,其网站密度需超过当前汽油供应站,投资巨大难以为市场接受过当前汽油供应站,投资巨大难以为市场接受氢的制造仍主要基于化石资源氢的制造仍主要基于化石资源, 加之储运、供加之储运、供 应等环节成本特高,对环境具有额外的污染排应等环节成本特高,对环境具有额外的污染排放压力,这就抵销了排放产物仅仅是放压力,这就抵销了排放产物仅仅是H2OH2O这一优点这一优点。传统的热机驱动的汽车超过100年的发展历史, 结构相当合理、技术上简单可靠,制造
5、成本已经很低操作寿命超过10000小时,行程超过40万公里。大巴、货卡车、轮船和机车甚至 可以超过2.5万小时和100万公里 汽车制造商也在通过不断技术创新改进使汽车能达到环境要求标准。例如,Toyota曾展示四冲程循环内燃机,其尾气比美国洛杉基的典型空气还要清洁5倍 。基本结论:只有直接液体燃料的燃料电池汽车具有技术经济竞争力!技术经济竞争力?技术经济竞争力?2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛从燃料井到燃料电池效率比较从燃料井到燃料电池效率比较转变为氢气压缩氢或液氢氢的运输SOFCMCFCPAFCPEFCAFC石油和天然气井净化脱硫精炼运输80%60%40%20
6、%050%效率加上附加损失效效率率2009新能源与汽车工业国际高峰论坛新能源与汽车工业国际高峰论坛洁净天然气电厂系统造价洁净天然气电厂系统造价 ($/kW)0 05005001000100015001500200020002500250030003000350035001 kW1 kW1 MW1 MW1 GW1 GWPEFC MCFC 传统发电站传统发电站 SOFC 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 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,
7、 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。的桥梁!
8、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:25 DMFC或或PEFC汽车:汽车:35SOFC/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
9、术难度高,制造成本高,对环直接利用纯氢(气)燃料技术难度高,制造成本高,对环境压力大。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,),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,必须使用贵金属铂。另外,一般汽车制造商们不太了解的是,DMFCDMFC
10、的的燃料转换效率比燃料转换效率比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) )小小功率体系应用。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
11、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论文数在国际研究机构中排名前五(国内排名第一)中排名前五(国内排名第一)
12、v相关专利发明相关专利发明 20 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活化极化严重0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250300350400Power density, mW cm-2Current density, mA cm-2 Voltage,V 600oC 650oC 0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250300350400450500Power density,
13、 mW cm-2Current density, mA cm-2 Voltage,V 600oC 650oC 0123450.00.40.81.21.60123450.00.51.01.50123450.00.20.40.60.8-Z,cm2 -Z,cm2 Z,cm2 -Z,cm2 Z,cm2 600OC 650OCI II 600OC 650OC 600OC 650OC III 产业化指标:300mW/cm2YSZ基薄膜制备及界面优化基薄膜制备及界面优化02004006000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0050100150200250Power densit
14、y, mW cm-2Current density, mA cm-2 Voltage,V 600oC 650oC 440mW/cm2通过界面优化显著降低了界面极化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电阻,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10mA10mB04008001200160020002400280
15、032000.20.40.60.81.0 Current density, mA cm-2 Voltage,V 650oC 600oC 550oC0100200300400500600700800900 Power density, mW cm-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高性能SDC电解质的电解质的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,低成本的浆料涂膜法将加快本的浆料涂
16、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1020304050607080(111)(222)(100)(310)(220)(211)(200)(110) intensity2 AngleCubic Perovskite Lattice Parameter: a= 4.3757 angstrom10mBYCZ filmAnode supportCathode20m0300600900120015000.20.40.60.81.0050100150200250300350400450500550600 Cu
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