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近年來，環境污染問題嚴重，石油等不可再生資源日趨匱乏，探求汽車新的動力源已經成為世界汽車領域研究和發展的熱點，燃料電池汽車作為一種新型節能汽車備受關注。質子交換膜燃料電池作為第四代燃料電池技術，不但突破卡諾循環限制，能量轉換效率高，而且排放污染少，對環境極其友好。部分汽車企業已經開始進行小規模的 PEMFC 汽車試運行和小批量投產，加快了其商用進程。 燃料電池裝置作為燃料電池汽車的動力裝置，是整個裝配體中最重要的部件，如何對質子交換膜燃料電池（PEMFC）進行有效

01. 成果簡介 質子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優勢，是當前燃料電池汽車的首選，然而，針對目前質子交換膜燃料電池系統設計和控制，還存在以下問題： 1. 在考慮零下低溫條件下電堆快速暖機的前提下，實現最優增濕效果，是燃料電池系統設計的一個挑戰； 2. 由陽極與陰極兩側壓差波動造成的燃料電池質子交換膜機械損壞、以及由燃料電池的高電位造成的燃料電池多孔碳紙化學腐蝕，是限制燃料電池壽命的重要因素； 3. 當燃料電池汽車進入隧道或者地下車庫等封閉空間時，由于陽極吹掃而被排出的氫氣會在該密閉空間上方聚集，產生安全隱患； 本成果提供一種能夠實現陽極再循環和陰極排氣再循環的燃料電池系統設計，以及相應的氣體壓力隨動控制、氣體濕度多模式控制和輸出電壓鉗位控制，可精確控制進入電堆的氫氣/空氣壓力、總流量、溫度、濕度和氧含量等參數，具體如下： 1. 燃料電池系統對進氣濕度要求較高，只有在最優增濕條件下，才能實現最高輸出效率，為了實現對進氣濕度的控制，目前主要由外部增濕和自增濕兩種系統，前者低濕環境條件下電堆增濕效果較好；后者取消了外部增濕器，加快了零下低溫條件下電堆暖機過程。本成果采用陽極+陰極雙循環系統，在小負荷工況下，增大陰極循環程度，充分運用陰極生成水對燃料電池進氣進行加濕；在中高負荷下降低陰極循環程度，而增高陽極循環程度，避免由于進氣流量過大引起的陰極循環泵功率消耗過高的問題。兼顧低濕環境條件下提高電堆增濕效果與零下低溫條件下電堆暖機過程，提高電堆效率； 2. 首先，進入燃料電池電堆的氣體流量與氣體壓力存在一定耦合關系，導致陽極與陰極兩側氣體壓力將隨著燃料電池發電系統的輸出功率變化而變化，由此引起的陽極與陰極兩側壓差波動會對燃料電池內部的質子交換膜產生機械損壞，本成果采用陽極+陰極壓力快速隨動控制，從而降低由壓力波動造成的機械損壞；此外，在怠速或小負荷時，燃料電池的高電位會對燃料電池內部的多孔碳紙造成化學腐蝕，為此，在怠速或小負荷時，本成果通過增大陽極循環程度，降低燃料電池電位，實現對電壓的鉗位控制，從而降低由高電位引起的化學腐蝕；綜上所述，本成果通過陽極+陰極壓力快速隨動控制和電壓鉗位控制，延長電堆壽命； 3. 由于氮氣和水的濃差擴散作用，燃料電池陽極側都會出現氮氣累積和液態水水淹現象，引起燃料電池性能下降，因此需要定期對陽極側進行吹掃，將累積的液態水、氮氣與未反應的氫氣一起排出。本成果在陽極出口處增加了燃料電池小面積單片，用于處理尾排氫氣，從而實現燃料電池系統氫氣零排放，保障燃料電池系統的運行安全。 燃料電池雙循環系統02. 應用前景 本成果可應用于質子交換膜燃料電池領域。03. 知識產權 本成果涉及9項發明專利。04. 團隊介紹 項目團隊主要研究方向新能源汽車動力系統，團隊成員包括歐陽明高、李建秋、楊福源、王賀武、盧蘭光、李希浩、徐梁飛、杜玖玉、韓雪冰、馮旭寧等，課題負責人為李建秋，獲得國家技術發明二等獎兩項，北京市科學技術一等獎一項、中國汽車工業技術發明一等獎一項，論文發表200余篇。項目團隊深度參與了中國新能源汽車的戰略規劃、科技研發、國際合作、示范考核和產業化推進的全過程，培育出多家學生創業型高科技企業，為中國新能源汽車躋身世界先進行列作出了重要貢獻。05. 合作方式 技術許可。06．聯系方式 郵箱： zhangyan2017@tsinghua.edu.cn

本發明公開了一種平板式固體氧化物燃料電池，包括依次緊密 接觸的陰極層、電解質層、陽極功能層以及支撐體層，所述支撐體層 背向所述陽極功能層一側設置有氣體通道，其特征在于，所述支撐層 成分包括 NiO、Fe2O3 和 NiTiO3，所述燃料電池在工作過程中，所述 NiO-Fe2O3 還原成 Ni-Fe 合金，NiTiO3 還原成 Ni 和 TiO2，TiO2 顆粒 均勻的分布在 Ni-Fe 合金骨架上。按照本發明實現的平板式固體氧化

本發明公開了一種基于絕熱燃燒條件的生物質微米燃料高溫清潔燃燒方法，包括：(a)將生物質微米燃料以全密封的形式予以灌裝裝卸和運輸，并管路輸送至工業窯爐；(b)將生物質微米燃料與空氣進行預混以形成粉塵云的流態形式；(c)將預混后的流態粉塵云向經由燃料噴管噴入設置在窯爐中的絕熱燃燒室，由此在此相對封閉的儲熱空間將能量密度相對低的生物質燃料的能量聚積在其中，并執行超高溫燃燒；(d)在燃燒過程中，向絕熱燃燒室補水蒸汽。通過本發明，能夠獲得高達 1500℃以上的燃燒溫度，滿足多種工業或民用窯爐的加熱要求，同時與

近年來，環境污染問題嚴重，石油等不可再生資源日趨匱乏，探求汽車新的動力源已經成為世界汽車領域研究和發展的熱點，燃料電池汽車作為一種新型節能汽車備受關注。質子交換膜燃料電池作為第四代燃料電池技術，不但突破卡諾循環限制，能量轉換效率高，而且排放污染少，對環境極其友好。部分汽車企業已經開始進行小規模的PEMFC汽車試運行和小批量投產，加快了其商用進程。 燃料電池裝置作為燃料電池汽車的動力裝置，是整個裝配體中最重要的部件，如何對質子交換膜燃料電池（PEMFC）進行有效的熱管理，對其工作效率、使用壽命和運行經濟性有著極其重要的意義。 通過對燃料電池的熱分析，與上汽合作搭建起36kW的Plug-in燃料電池發動機試驗平臺。 借助試驗平臺，可以對電堆進行大量實驗，并且可以分析電堆的輸出的功率，極限功率，及功率調節特性等動力數據；還可以分析電堆的散熱性能，以及散熱效果對電堆的功率影響等基礎數據。

本發明公開了一種工業窯爐替代燃料高效減污降碳系統，包括回轉窯和氣化爐，在氣化爐的進料口設有替代燃料預處理組件，利用替代燃料預處理組件對替代燃料進行預處理，預處理之后的替代燃料，極大的提高了替代燃料的燃燒效率，減少污染物排放，降低生產成本，進而提高了替代燃料的利用率；同時設置二氧化碳捕集裝置，利用二氧化碳捕集裝置捕集二氧化碳，將高溫煙氣當中的二氧化碳捕捉分離出來，使得沿煙囪排出的煙氣當中二氧化碳的含量大幅降低，進而使得煙氣中剩余的二氧化碳的濃度達到排放標準。解決了現有技術中的替代燃料未經預處理，利用率低下，并且忽視了碳氧化合物的有效處理，導致資源浪費和環境污染的技術問題。

氫氣再循環泵是氫燃料電池系統中的關鍵部件之一，主要有兩種技術路線：電機驅動機械式氫氣再循環泵（機械泵）和噴射式氫氣再循環泵（噴射泵）。目前國內均無成熟產品，機械泵主要依賴進口，然而該類產品存在大流量下升壓能力差、結冰堵轉、故障率高等缺點。噴射泵利用氫罐自身壓力運行，可完全克服機械泵的缺點，且無需電機驅動、無運動部件，完全避免了由電機帶來的能耗、密封、防爆、減振及降噪等致命缺陷，是氫氣再循環泵的變革性技術和終極解決方案。本項目綜合運用多噴嘴引射新器件、多相適應新技術、全局優化新方法，研發安全、可靠、高效、無源的噴射式氫循環系統，以期解決燃料電池氫循環密封難、能耗高、壽命短等痛點，推動行業進步。

具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備一、 項目簡介在教育部科學技術研究重點項目和河北省科技支撐計劃項目的資助下，河北工業大學能源與環境工程學院（暨天津市建筑供能技術工程中心）基于對北方農作物秸稈燃料燃燒特性的研究，開發了具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備。農作物秸稈的燃燒特性與燃煤顯著不同，秸稈燃料的揮發分含量高達70%，固定碳含量僅有15%左右，灰分含量低于10%。秸稈燃燒放熱集中于揮發分的氣相燃燒過程，而燃煤以固定碳固相燃燒放熱為主，因此，套用燃煤爐結構（尤其是配風方面）來設計秸稈壓塊采暖爐是不可行的。秸稈燃料灰熔點低、富含鈉鉀等堿金屬化合物，采用常規層燃方式易于造成燃料層板結、受熱面結渣和堿金屬腐蝕，并導致燃燒效率和熱效率降低。煤塊的燃燒周期長達2小時，而秸稈壓塊的燃燒周期僅有25分鐘，人工添加燃料勢必造成爐內燃燒工況波動和污染物排放提高。秸稈燃料低溫、缺氧情況下將產生大量焦油，夜間封火將形成焦油污染，并將因煙氣中的水蒸氣冷凝而形成污水二次污染。本項目所涉及的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備匹配了自動送料裝置，內置“日間供熱”和“夜間供熱”兩種模式，可實現12小時無人值守，不僅提高了燃燒穩定性、燃燒效率和熱效率，同時徹底擺脫了夜間封火工藝，可有效保證用戶的夜間室內溫度，舒適度大大提高，勞動強度顯著降低。二、 項目技術成熟程度具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備在技術上已經完全成熟，目前已在遵化和張家口分別完成了熱負荷10kW（供熱面積80-100m2）和15kW（供熱面積150-200m2）采暖裝備的示范運行工作，其各項污染物排放指標均滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2013）的要求，燃盡灰可直接作為生物肥料還田。戶用采暖裝備示范樣機照片見下文圖1。三、 技術指標（包括鑒定、知識產權專利、獲獎等情況）本項目所涉及的采暖裝備已獲得國家發明專利授權1項，另有1項發明專利正處于審查過程中。秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備示范樣機監測結果顯示，其各項污染物排放指標均滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2013）的要求，其熱效率達到80%以上。四、 市場前景（應用領域、市場分析等）應用領域：具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備主要適用于北方農村地區農村住房的冬季供暖過程，同時可用于城郊別墅冬季供暖、蔬菜種植大棚的供熱、以及養殖建筑的冬季供熱。市場分析：2013年，京津冀地區農民生活生產燃煤消耗高達4224萬噸/年，占到社會總煤耗量的11%，而農村地區燃煤的污染物排放卻占環境統計煙塵排放總量的23.2%、二氧化硫排放總量的15.2%，氮氧化物排放總量的4.4%。上述統計數據說明，燃燒等量的煤炭，農村用能過程較工業燃燒過程對環境污染的貢獻率更大。2014年，北京可持續發展促進會針對京津冀農村地區7795個農戶的生活用能情況進行了調查，農民的用能以“散煤+電+液化石油氣”方式為主，戶平均生活能耗折合2.5-3噸標準煤/年，其中，冬季燃煤采暖用能所占比例高于60%、生活用電能耗約占20%、炊事用能約占15%（以秸稈等生物質能和液化石油氣為主）；并且農戶生活用能的85-90%為商品能源，戶均能源購置成本3500元/年。上述調查結果說明，污染物排放嚴重的燃煤燃燒在農村用能過程中占據著主導地位，而農村地區豐富的生物質能并未得到有效利用。近十年來，我國在生物質能的規模化利用（秸稈直燃發電、生物制油制乙醇、秸稈集中氣化等）領域，完成了各種類型的示范工程建設。但值得注意的是，由于秸稈收集半徑過大、燃料運輸成本過高等原因，已建成的數十座秸稈直燃電站并沒有徹底改變農村地區秸稈田間焚燒或廢棄的現狀。目前，農村地區均使用技術水平較低的、未配備除塵脫硫裝置的燃煤采暖爐散燒劣質原煤，從技術角度而言，市場上現有的戶用燃煤采暖爐根本無法克服周期性的人工添加燃料和夜間封火工藝所造成的燃燒不穩定和燃燒不完全現象，而上述周期性燃燒和不完全燃燒，是造成農村地區燃燒污染物排放嚴重超標的主要原因。2014年，京津冀三地針對農村地區冬季采暖燃煤排放問題相繼出臺“推廣民用無煙煤爐具”、“控制散燒劣質原煤，強制燃用無煙煤或型煤”、“推廣秸稈壓塊民用采暖爐”等政策，并計劃在2017年之前投入數千萬元用于補貼農戶購置無煙煤爐具或秸稈壓塊采暖爐。但這不過是一時權宜之策，目前市場上銷售的無煙煤爐具和秸稈壓塊采暖爐，均因缺乏專業設計而無法克服人工加料和夜間封火所造成的燃燒不穩定和燃燒不完全現象，不能從根本上控制燃燒污染物的超標排放；尤其是秸稈壓塊采暖爐，封火期間的低溫燃燒過程將產生大量的碳煙、焦油和冷凝水，室內空氣污染異常嚴重，影響用戶的身體健康。河北省年產秸稈6200萬噸（全國年產秸稈7億噸，天津市230萬噸），其中能源化利用的僅有74萬噸，直接還田和廢棄的秸稈折合標準煤2300萬噸。但是由于缺少專用的燃燒設備，導致大量秸稈于田間焚燒，能源浪費和大氣污染嚴重 。因此，在農村地區推廣以秸稈燃料取代燃煤采暖具有可行性，而技術先進的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備在農村地區具有廣闊的應用前景，其需求量巨大。五、 規模與投資需求（資金需求、場地規模、人員等需求）北方農村地區冬季供熱多采用燃煤采暖爐+土暖氣模式，是一種分布式供能系統。由于燃煤采暖爐的技術水平較低，熱效率僅有65%左右，故導致其燃料消耗量較高；并且，常規燃煤采暖爐在夜間必須封火，低溫、缺氧燃燒不僅降低了室內溫度，同時也顯著提高了燃燒污染物排放量，并且煤氣中毒的可能性增大。目前，農村地區100m2供熱面積年消耗燃煤3-5噸，燃煤購置成本3000-5000元/采暖期。利用農村廢棄的農作物秸稈、樹枝等加工而成秸稈壓塊燃料取代燃煤用于冬季采暖過程，是符合國家中長期發展戰略和京津冀地方政府農村政策的。值得注意的是，秸稈和秸稈壓塊屬于地方燃料，收集和運輸半徑過大勢必提高其燃料成本，因此，建議采用“就地生產、就近利用”的模式，來推廣秸稈壓塊采暖裝備和秸稈壓塊燃料。企業需要以能源供應商的身份介入秸稈壓塊采暖裝備和秸稈壓塊燃料生產銷售過程，以“分戶采暖/集中監控”的商業模式運行；需要在農村地區建設輻射半徑10公里（1000-2000家左右的用戶）的中心服務站，一方面負責秸稈收集以及壓塊燃料的生成、銷售工作，另一方面負責燃燒裝備的生成、銷售工作，同時還要負責燃燒裝備的運行監控、維護及維修服務工作。以服務1000家農戶（預計秸稈壓塊燃料總消耗量5000噸/采暖期）的中心站建設為例，其投資規模為150萬元左右，場地規模3000m2左右，人員10-13人（其中專業技術人員和管理人員3-4人，裝備生產加工人員3-4人，燃料加工人員4-5人）。投資預算包括：秸稈壓塊裝備購置成本25萬元（2臺套）；燃燒裝備加工設備購置成本15萬元（年生產能力2000臺套）；土地購置成本20萬，廠房和燃料倉庫建設成本30萬元、露天儲料場建設成本5萬元；控制終端設備購置成本10萬元；人員工資成本30-40萬元/年。等等。六、 生產設備秸稈壓塊燃料生產需要購置秸稈壓塊機，生產能力1-1.5噸/小時的秸稈壓塊機械，目前市場售價12萬左右。采暖裝備加工需要卷板機、電焊機、磨具等基本機械加工設備。七、 效益分析下文將從用戶和能源供應商兩方面進行效益分析。1、秸稈壓塊、燃煤和燃氣采暖的經濟性分析以采暖面積200平米的民居為例，采暖熱指標取70W/m2，若選用NK15.0-IY型戶用采暖裝備，售價以4000元/臺計算；秸稈壓塊發熱量3500-3700kcal/kg，市場售價450-550元/噸。初投資（不包括室內管網）和運行成本見下表：采用秸稈壓塊采暖裝備進行冬季采暖，其初期投資為4210元，運行成本包括秸稈壓塊購置4140-5160元、自動送料裝置和循環水泵電耗180元，折合采暖費用為22-26.5元/平米。若農戶自產5噸秸稈，則采暖成本可降低至15元/平米以下。同樣供熱面積的燃煤采暖爐市場售價1500-2000元/臺，其熱效率約為65%；燃煤發熱量5600kcal/kg，目前市場售價650-800元/噸左右。初投資（不包括室內管網）和運行成本見下表：采用燃煤爐具進行冬季采暖，其初期初投資為1710-2210元，較秸稈壓塊采暖裝備初投資低2000元左右，考慮國家補貼的1500元后，兩者相差500元左右。其運行成本包括燃煤購置費用4916-6050元，循環泵電耗50元，折合采暖費用為24.8-30.5元/平米，較秸稈壓塊全部購置采暖成本高10%左右。但是，采用秸稈壓塊采暖裝備的勞動強度更低、室內舒適度（尤其是夜間）更高，灰渣處理量更少，環保效益更為顯著。同樣供熱面積的燃氣壁掛爐市場售價8500-15000元/臺，可同時解決采暖和熱水供應問題；單戶燃氣壁掛爐采暖有很大的調節靈活性，使用完全獨立，采暖溫度以自主調節，采暖時間可自行控制。天然氣價格按3元/立方米計算，其運行成本見下表：燃氣壁掛爐采暖的初期投資為8500-15000元，其運行成本包括燃氣費用9504元，折合采暖費用為47.5元/平米；盡管燃氣壁掛爐采暖系統兼具熱水供應功能，但如此高的投資成本和運行成本，是普通農戶難以接受的。綜上所述，對于農戶而言，使用秸稈壓塊采暖裝備進行冬季采暖，具有良好的經濟性；同時可以降低商品能源的使用，可提高戶用供能自給程度到60%以上。2、能源供應商的投資效益本項目推廣實施過程中，企業將以能源供應商和服務商角色介入，負責建立輻射半徑5-10公里（用戶1000家左右，秸稈壓塊消耗量5000噸/采暖期）的區域中心工作站（投資規模150萬元左右），負責采暖裝備的生產、銷售、日常維護和年度檢修，負責秸稈收集、運輸以及壓塊燃料生產、銷售和運輸，負責區域供熱系統的集中監控和運行保障。而農民用戶則負責秸稈生產、采暖裝備上料（12小時一次）和供熱模式切換、以及室內暖氣系統日常調節。在這種商業運作模式下，能源價格將主要由秸稈原料價格（150元/噸）、秸稈壓塊成型成本（150元/噸）、秸稈和壓塊燃料收集運輸成本（50元/噸）、服務成本（50元/噸）和利潤（100-150元/噸）等組成。企業每年可通過秸稈壓塊燃料銷售獲得利潤50-75萬。采暖裝備的生產與銷售也是企業利潤的來源之一，單臺采暖裝備的生產成本可控制在3000元以下，若銷售價格為3400-3500元的話，以年銷售1000臺計算，企業每年可通過采暖裝備銷售獲得利潤40-50萬。目前各級政府對于大規模利用秸稈燃料進行了補貼，在利用規模高于5000噸/年情況下，國家財政補貼一般為150元/噸，因此，企業每年可獲得的財政補貼為75萬。值得注意的是，企業只有以能源供應商角色介入，方可達到如此大的銷售和利用規模，而以單個農戶每年消耗幾噸秸稈燃料的模式運作，是無法獲得國家補貼的。綜上所述，依托本技術建立一個中心服務站每年可獲得的利潤為90-125萬，可獲得的國家補貼為75萬，一年即可收回投資。因此，對于企業而言，本項目具有良好的經濟效益。八、 合作方式專利轉讓、技術入股均可，面議。九、 項目具體聯系人及聯系方式（包括電子郵箱）聯系人：劉聯勝電話：13802036623Email: lane812@163.com

本成果屬于能源與動力工程技術領域，涉及節能、燃燒、傳熱學、熱力 學、環境保護等等多個相關學科。 成果針對醇基燃料工業燃燒過程中存在積碳堵塞氣化管道、燃燒效率 低、燃燒穩定性差、醇基燃料工業燃燒技術及裝置不成熟等問題，創新研發了 60-350kW額定功率下負荷大范圍變動（25%-120%）醇基燃料引射式自適應配風 燃燒技術： ①  首次開發了醇基燃料引射式自適應配風技術，獲得了負荷大范圍變動下引 射式自適應配風技術、關鍵工藝參數，燃燒中能根據熱負荷大小自動調節燃燒所 需的配風量，實現燃料完全燃燒； ②  成功首創了低于醇基燃料析碳溫度條件下促使其氣化的恒溫實時預氣化 技術，能夠在燃燒器的功率調節范圍內，實現醇基燃料完全氣化，且未見過熱積 '③基于自主研發的醇基燃料引射式自適應配風技術、液體燃料無析碳恒溫氣 化技術，首創了具有自主知識產權的醇基燃料高性能引射式自適應配風燃燒技術, 解決了負荷大范圍變化（25%-120%）時的自適應配風、無析碳實時氣化、氣化管 道堵塞、燃燒效率低、燃燒穩定性差、污染物排放較高等難題，燃燒效率達99. 9% 以上，且完全燃燒后，無粉塵排放，主要污染物排放（CxHy<lppm, C0<lppm, N0x<10ppm）遠低于國家標準； ④應用本研究成果提出了適合于中小型燃煤、燃油工業爐的燃燒系統與裝置, 并進行了工業應用，可將現有燃煤熔煉爐等中小型工業爐的熱效率由25%-30%提 高至80%以上。