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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(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(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(xué)發(fā)電過程中，無需進行復(fù)雜的熱管理和對反應(yīng)氣體進行預(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(yīng)用前景。 燃料電池發(fā)電機技術(shù)指標(biāo)： 上圖： 1.3 千瓦 空冷、自增濕式燃料電池發(fā)電機 (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(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(yīng)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(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(biāo)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(biāo)也為時不遠。

研究領(lǐng)域 以企業(yè)的生產(chǎn)需要為出發(fā)點，以研發(fā)新產(chǎn)品、新設(shè)備、新工藝為目標(biāo)，進行光機電一體化成套設(shè)備及新技術(shù)的研究與開發(fā)，解決企業(yè)發(fā)展過程中的瓶頸問題。圍繞創(chuàng)新制造工藝、機電控制及自動化，開展綠色化、系統(tǒng)化智能機電一體化技術(shù)及其在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究。主要研究方向有：（1）綠色新能源生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備（2）特種加工機械（3）新型包裝機械（4）根據(jù)企業(yè)實際需求定制光機電一體化成套設(shè)備（生產(chǎn)線）的研發(fā)。科研成果及簡介 所承擔(dān)主要項目： 鋅空燃料電池極片干嵌法成形過程控制的理論與技術(shù)(國家自然基金) ·高速水墨柔性印刷模切機CL1224 （國家科技部） ·機械軟起動控制系統(tǒng)的開發(fā)（天津市教委） ·柔性傳動行星輪差速機構(gòu)的研究 （河北省教育廳） ·機械液壓自動控制軟啟動系統(tǒng)（石家莊科技局） ·自動分頁裝訂機的開發(fā)研究（河北省教委） 橫向課題： 紙管機開發(fā)（天津巨業(yè)衣架制造有限公司） 盤料螺紋鋼滾絲機（天津市天鵬建筑器材有限公司） 五金平臺自動機械手的研制（慶輝五金制品有限公司） 乒乓膠皮海綿上料系統(tǒng)的研發(fā)（天津七二九體育器材開發(fā)有限公司） 電池極片卷繞設(shè)備（海裕百特鋰能設(shè)備有限公司） 鋰電池極片軋制卷繞線 ； 流延膜擠壓收卷裝置及控制系統(tǒng)的合作研發(fā)； 瓦棱機生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研制； KSQ-500電池極片卷繞設(shè)備開發(fā) 木工挖船機（威盧克斯有限公司） WS-260衛(wèi)生巾生產(chǎn)線獲獎與專利一種布料機                  發(fā)明專利           專利號：200910068754.x一種雙向水泥土攪拌樁機      發(fā)明專利           專利號：200910069172.3一種雙向水泥土攪拌樁機      發(fā)明專利           專利號：200910069171.9一種雙向水泥土攪拌樁鉆桿    發(fā)明專利           專利號：200910069170.4一種收獲機                  發(fā)明專利           專利號：200910069269.4可轉(zhuǎn)讓項目 可承擔(dān)（合作開發(fā)）科研項目與技術(shù)合作光機電一體化成套設(shè)備（生產(chǎn)線）的研發(fā)

產(chǎn)品詳細介紹

2020 年 7 月 10 日，國際著名期刊《Science》刊發(fā)論文《電場誘導(dǎo)異質(zhì)界面金屬態(tài)構(gòu)建超質(zhì)子傳輸》（Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure）。東南大學(xué)太陽能技術(shù)研究中心/儲能聯(lián)合研究中心首席科學(xué)家朱斌教授為該論文共同一作和主通訊作者，此項研究成果標(biāo)志著東南大學(xué)在燃料電池領(lǐng)域相關(guān)研究取得了重大進展。  朱斌教授等人采用完全不同于傳統(tǒng)離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)摻雜的方法，構(gòu)建半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過利用半導(dǎo)體異質(zhì)界面電子態(tài)/金屬態(tài)特性把質(zhì)子局域于異質(zhì)界面，設(shè)計和構(gòu)造具有最低遷移勢壘的超質(zhì)子高速通道；在燃料電池中，質(zhì)子經(jīng)電化學(xué)嵌入到異質(zhì)材料界面，被帶正電的氧化鈰表面排斥到鈷酸鈉表面，但同時受到正電鈉離子的排擠不能進入鈷酸鈉內(nèi)部，因而局域于兩者材料的界面空間，從而實現(xiàn)在最低勢壘的層間連續(xù)快速遷移。  實驗成功地驗證了理論和計算結(jié)果，獲得了極其優(yōu)異的質(zhì)子電導(dǎo)率（較傳統(tǒng)釔穩(wěn)定二氧化鋯電解質(zhì)材料的電導(dǎo)率提升了幾個數(shù)量級），實現(xiàn)了先進質(zhì)子陶瓷燃料電池示范。

研究團隊設(shè)計和合成出一種具有開放式結(jié)構(gòu)的劍麻狀Co9S8材料，并首次將其作為鋰空氣電池正極。其開放狀結(jié)構(gòu)不僅為反應(yīng)產(chǎn)物提供了豐富儲存空間，有效避免不溶Li2O2對空氣電極的堵塞。而且，特殊的開放式結(jié)構(gòu)有利于氧氣的俘獲與釋放，為高效快速電極反應(yīng)提供保障；其次，Co9S8具有優(yōu)異的催化活性，有效改善了氧氣反應(yīng)動力學(xué)，大幅度提高了電極反應(yīng)速度；最后，Co9S8且具有良好的氧氣親和性，可以誘導(dǎo)氧氣在Co9S8納米棒表面反應(yīng)生成過氧化鋰，形成優(yōu)異的Li2O2/電極接觸界面，從而有利于充電過程中充分發(fā)揮Co9S8的催化效率，促進Li2O2的完全分解。所以，該Co9S8空氣電極綜合解決了上述三個方面的問題，相應(yīng)的鋰空電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在50 mA g-1的電流密度下，可以獲得高達~6875 mAh g-1的放電容量，在控制放電容量為1000 mAh g-1的條件下，可以將充放電過電位降低至0.57 V，優(yōu)于目前已報道的氧化物基催化劑。

本項目所涉及的微型燃料電池是燃料電池應(yīng)用中最有市場前景的一個。微型燃料電池是指輸出功率在100W以下，具有良好可攜帶性的小功率燃料電池。這類燃料電池能用于各類便攜式用電設(shè)備、音像設(shè)備和計算機等信息產(chǎn)品。本項目以迅速地實現(xiàn)樣機的制備、商品化以及大批量生產(chǎn)和高盈利為基本目標(biāo)。項目進行過程中，將以現(xiàn)有的膜電極制備技術(shù)為基礎(chǔ)，系列化開發(fā)、生產(chǎn)便攜式電器使用的燃料電池。中期目標(biāo)確定在不同類型的小型燃料電池，逐步以產(chǎn)品細分和增加產(chǎn)量提高市場份額。投資視市場實現(xiàn)情況，分期投入。本項目研究的目標(biāo)集中在直接甲醇燃料電池的小型化、產(chǎn)業(yè)化與實用化上。在研究過程中，通過對電極結(jié)構(gòu)、流場形狀與內(nèi)填充方案、整機設(shè)計、新型催化劑合成方案和電池性能衰減的研究，達到提高電池輸出功率、抬高中電流密度區(qū)電位、縮小電池體積、實現(xiàn)初步產(chǎn)業(yè)化的目的。考慮到電池的可攜帶性、體積和工作條件，該類燃料電池擬采用本研究團隊較為成熟的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)為主，堿性燃料電池為后備方案進行開發(fā)。研究的重心將放在燃料電池核心部件——膜電極與整個電池系統(tǒng)的整合上，以達到提高電池輸出功率、抬高中電流密度區(qū)電位、縮小電池體積、實現(xiàn)初步產(chǎn)業(yè)化的目的。