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空冷、自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機

1 成果簡介作為一種清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，質(zhì)子交換膜燃料電池的理論比能量高達32940Wh/kg（在地面上使用時可不計空氣的質(zhì)量），是各種電化學電池體系中的理論比能量“ 絕對冠軍”，而且功率密度高、電流密度大，是最先進的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。現(xiàn)在世界各國正在加速其在民用領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)。利用質(zhì)子交換膜燃料電池國產(chǎn)關(guān)鍵原材料，創(chuàng)新膜電極制備方法（“熱定型” CCM 制備法）和優(yōu)化制備工藝，開發(fā)出了高性能、大面積的國產(chǎn)材料膜電極批量制備技術(shù)。并在模塊化燃料電池設(shè)計和計算機模擬仿真的基礎(chǔ)上，研制出了空冷、自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機。該成果獲得全國第十九屆發(fā)明展覽會發(fā)明金獎。空冷、自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機，主要由燃料電池、供氣軸流風扇、陽極間歇式排氣電磁閥、 DC/DC 穩(wěn)壓器和控制電路板等組成，燃料電池采用陰極與大氣貫通的開放設(shè)計和高效的自增濕專利技術(shù)，能實現(xiàn)寬功率范圍的自增濕發(fā)電。在電化學發(fā)電過程中，無需進行復雜的熱管理和對反應氣體進行預加濕，大大地減化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)比功率（ 265W/kg、 211W/L），并降低了成本，是一種實用性很強的新能源發(fā)電機。該發(fā)電機采用普氫燃料，發(fā)電效率可達到 50%以上，功率密度可達到 300mW/cm2 以上，無污染。在分布式電站、交通動力和便攜式電源方面具有廣泛的應用前景。燃料電池發(fā)電機技術(shù)指標：上圖： 1.3 千瓦空冷、自增濕式燃料電池發(fā)電機 (43 cells)2 應用說明經(jīng)過近十年來的電動汽車、分布式電站、電源等領(lǐng)域的廣泛示范應用（燃料電池已經(jīng)在航天、軍事上得到應用，燃料電池備用電源和燃料電池家用電站正在開始商業(yè)化），質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的成熟度已經(jīng)逐漸被用戶所接受。目前，其商業(yè)化主要問題是成本較高（采用進口材料成本昂貴），而本項目采用“ 863” 計劃“ 全國產(chǎn)材料燃料電池發(fā)電機” 成果，利用國產(chǎn)原材料制備燃料電池電堆，燃料電池材料供應不僅有安全保障，而且還有低成本優(yōu)勢，可望克服燃料電池高成本的商業(yè)化障礙。3 應用說明本項目屬新能源發(fā)電機領(lǐng)域。在分布式電站、交通動力和便攜式電源方面具有廣泛的應用前景。4 效益分析目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的先進制造水平為：電極催化劑載量為 0.5 毫克/平方厘米（電極）左右，電極性能可以在常壓空氣條件下達到 0.62V、 1A/cm2 (0.62W/ cm2)。如在批量生產(chǎn)的情況下， 1 千瓦的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆僅需要使用約 2 克的 Pt 催化劑、 0.2 平方米的質(zhì)子交換膜、 0.4 平方米的碳紙擴散層和約 0.24 平方米模壓雙極板。考慮國產(chǎn)燃料電池材料的批量生產(chǎn)，估計能實現(xiàn)的經(jīng)濟指標： 1500 元/平方米（質(zhì)子交換膜）、催化劑 400 元/克（ Pt）、 300 元/平方米（碳紙）、 600 元/平方米（模壓石墨板）。 1 千瓦全國產(chǎn)材料燃料電池堆的關(guān)鍵材料成本可控制在 1500 元以下，這與目前進口材料燃料電池 26000 元/千瓦的成本相比，國產(chǎn)材料燃料電池堆具有十分誘人的前景，這一批量生產(chǎn)的經(jīng)濟指標已經(jīng)遠遠低于電站成本要求 8000 元/千瓦，距離交通動力 500 元/千瓦的產(chǎn)業(yè)化目標也為時不遠。

清華大學 2021-04-13

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