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燃料电池及燃料电池汽车

能源环境

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燃料电池历史背景

燃料电池(FuelCell)将存在于燃料与氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置

1839年格罗夫成功研制了第一台氢氧燃料电池

20世纪50年代以前，燃料电池一直处于理论与应用根底的研究阶段

60年代UTC研制成功Apollo登月探测器(1961)的主电源——Bacon型中温氢氧燃料电池(AFC)；双子星宇宙飞船(1965)也采用了通用生产的PEMFC作为主电源

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70－80年代能源危机和航天军备竞赛大大推动了燃料电池的开展，以美国为首的兴旺国家开始大力支持民用燃料电池的开发

90年代以来，人类日益关注环境保护。以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车，直接甲醇燃料电池的便携式移动电源，高温燃料电池电站等开始开展起来

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燃料电池的分类

按电解质的不同，可分为：

‡碱性燃料电池〔ＡＦＣ〕；

‡磷酸型燃料电池〔ＰＡＦＣ〕；

‡熔融碳酸盐燃料电池〔ＭＣＦＣ〕；

‡固体氧化物燃料电池〔ＳＯＦＣ〕；

‡质子交换膜燃料电池〔ＰＥＭFＣ〕

按工作温度的不同，可分为：

低温燃料电池

高温燃料电池

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燃料电池工作原理

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需催化剂Pt，PEMFC同

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Li与K混合的碳酸盐

ZrO2(氧化锆)

质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池：PEMFC是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速开展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，也是最有前途的燃料电池技术，既可用于分布式发电〔美国已建立电站〕，又广泛应用于交通动力〔世界上绝大多数汽车厂商都在从事PEMFC燃料电池汽车的研究〕，也为现今众多电子设备提供了一种便携高能的移动电源

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直接甲醇燃料电池：DMFC能量密度高、经济性好、燃料储存携带方便，用于小功率场合，是理想的便携电源，被广泛应用于电子设备和单兵电源系统。

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空气极：3O2+12H++12e–→6H2O

燃料极：2CH4O+2H2O-12e–→12H++2CO2

总反响式：2CH4O+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O

Nafion膜的甲醇渗透和中间产物CO对催化剂的毒性

燃料电池汽车

2014.11.18丰田发布了售价5.75万美元的量产版燃料电池汽车Mirai

本田也将在2016推出一款量产版氢动力汽车

群众在2014洛杉矶车展上展示了包括奥迪A7h-tron等在内的三款氢燃料电池车

宝马很快就会宣布一款燃料电池驱动的原型车；包括通用汽车在内的其他汽车制造商也在测试燃料电池汽车。

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Mirai结构

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燃料电池汽车优势

1.能源效率高能源效率是指在能源开采、加工转换、存储运输和终端使用等活动中所得到的能源量与实际消耗量之比。

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2.零排放氢燃料电池堆栈在产生电能的过程中只产生水，真正地实现了“零排放”目标(雾霾严重)

3.续航长加满氢〔5公斤〕的状态下续航里程到达500公里〔电动汽车充满电仅跑200公里〕

4.燃料补充时间段加满氢只需3-5分钟〔电动汽车充满电需6-8小时〕

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燃料电池汽车存在问题〔本钱〕

1.汽车造价高

铂是质子交换膜燃料电池堆的催化剂,单车用量约为50g,价值高达1200美元,占燃料电池堆本钱的25%左右。同时,由于高压储氢罐中氢气压力高达700bar,强度高、重量轻的碳纤维复合材料得到大量应用,单车用量近90kg,价值约2500美元,重量和本钱均占整个储氢罐的70%左右。

2.加氢站建设本钱高

普通的电动汽车充电站只需花十万美元左右，特斯拉的超级充电站建造本钱达30万美元。但建造一个氢气燃料站需要花费100万至200万美元。因此，美国现在只有大约50个氢气站，其中22个位于加州。

3.能源消耗量大

氢气主要来源甲烷水蒸气重整

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燃料电池汽车进展与规划

田中贵金属工业公司方案通过不断革新，在2015—2020年，实现每车铂催化剂用量10g以下，相当于目前传统汽车搭载的废气净化装置铂用量；另外，非铂催化剂等方面的研究也在不断推进。

对电解质膜的修饰、改性和开发新型低本钱电解质膜不断进展

日本方案到2015年，建设100所加氢站；到2025年，增至1000所

德国方案在2015年之前将加氢站数量增加到50座，在2023年到达400座。

中国目前两座加氢站北京〔2006〕、上海安亭〔2009，800kg〕

2014.12.24新能源汽车加氢站已进入中央财政补贴名单〔200kg〕

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燃料电池汽车的开展离不开政府的全力支持

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Thankyou

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