空冷、自增濕式質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)
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(dá)32940Wh/kg( 在地面上使用時(shí)可不計(jì)空氣的質(zhì)量),是各種電化學(xué)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(jìn)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(jì)和計(jì)算機(jī)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(jī)。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(jī),主要由燃料電池、供氣軸流風(fēng)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(jì)和高效的自增濕專利技術(shù),能實(shí)現(xiàn)寬功率范圍的自增濕發(fā)電。在電化學(xué)發(fā)電過程中,無需進(jìn)行復(fù)雜的熱管理和對反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)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(shí)用性很強(qiáng)的新能源發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)采用普氫燃料,發(fā)電效率可達(dá)到 50%以上,功率密度可達(dá)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(yīng)用前景。 燃料電池發(fā)電機(jī)技術(shù)指標(biāo): 上圖: 1.3 千瓦 空冷、自增濕式燃料電池發(fā)電機(jī) (43 cells)2 應(yīng)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(yīng)用( 燃料電池已經(jīng)在航天、軍事上得到應(yīng)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(jìn)口材料成本昂貴), 而本項(xiàng)目采用“ 863” 計(jì)劃“ 全國產(chǎn)材料燃料電池發(fā)電機(jī)” 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(yīng)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(yīng)用說明本項(xiàng)目屬新能源發(fā)電機(jī)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(yīng)用前景。4 效益分析目前,質(zhì)子交換膜燃料電池的先進(jìn)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(dá)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(kuò)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(jì)能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo): 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(jìn)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(jì)指標(biāo)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)也為時(shí)不遠(yuǎn)。
清華大學(xué)
2021-04-13