燃料电池:演绎新型的动力科学“神话”

现在国内外电动汽车的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锌―空气电池、银锌蓄电池、燃料电池等数种，其中燃料电池是近年来出现的新事物，被许多人认为是一个发展方向，因与其他电池比较，燃料电池具有功率密度高，工作温度低、起动性能好，运动部件少，安全可靠，污染少，噪音低等多项优点。

燃料电池是一种直接将化学能转化为电流的电池，只需氢和氧两种元素，利用这两种元素通过媒介作用转化为电流。氧气可直接以空气中提取，关键是提取氢气的方法。氢气从汽油、甲醇、乙醇等燃料中提取，燃料电池也因此得名。

燃料电池作为现代汽车技术发展的方向，美欧日等发达国家十分重视燃料电池的发展。世界上第一辆燃料电池作动力的轿车是由奔驰汽车公司制造，于1996年5月在德国柏林向公众展示。这款称作“Necar”的轿车不会产生污染物，它向空中排放的是纯水蒸气，不含任何物质，甚至没有二氧化碳，使用甲醇做燃料。而美国的Abl公司开发的燃料电池是使用汽油做燃料的，这种车载燃料电池动力系统是由汽油箱、转化器、燃料电池、电动机组成。其中转化器是将汽油转化为氢气的设备，把汽油加热，直至处于汽化状态，然后输入一个有点火功能的金属反应缸内，在低氧状下通过“不完全燃烧”产生氢，然后将氢输送到燃料电池。由于燃料电池构造复杂，生产成本高昂而无法推广。直至近年进行了一系列改进，燃料电池轿车在价格上与普通轿车相比约高10%－15%，已居有一定发展价值。

近几年，我国已有一些大城市，诸如北京、上海在进行燃料电池车的探索。然而，对燃料电池的研究从未间断。作为一个新兴领域，国外有很多经验和教训可以被我们借鉴和吸取，我们也应结合自身发展把这一领域的研究推向新的台阶。

名称：高性能贮氢电极合金及Ni/MH电池技术

项目介绍：根据我国稀土资源丰富的特点，以廉价的混合稀土金属作为主要原材料的AB5型混合稀土-镍系贮氢电极合金是我国金属氢化物-镍（Ni/MH）电池大规模产业化的首选负极材料。

该项目通过对AB5型合金A侧混合稀土中La、Ce、Pr、Nd四种稀土元素的成分进行综合优化搭配，并通过对合金B侧成分的精细多元合金化以及合金组织结构和表面特性的优化控制等研究，研制出具有我国资源与技术特色的高性能AB5型混合稀土-镍系贮氢电极合金系列，并进行了中试应用开发。

该系列合金具有初始活化快（2次循环活化95％以上）、最大放电容量高（≥320mAh/g）以及循环寿命长（≥500次）等显著特点，综合性能指标居国际先进水平。

预计经济效益：年产值2000万元，利税350万元。

产品名称：燃料电池测试系统

产品型号：10W单池测试系统

产品描述：本装置由管路系统，控制系统，加湿器，加热系统，保温系统，电子负载，背压系统，安全系统等组成。反应气体通过质量流量计来测量和控制，反应气体加湿由加湿器来执行，通过调节加湿器的温度来控制反应气体的湿度，加湿器出来的湿的反应气体由保温管保温，由背压阀控制电池的压力，由电子负载来测量和控制燃料电池的电压和电流。FC2006V2.01软件测试内容 燃料气体流量、气泡发生器水温、气体温度、电池温度以及背压，全部都从电脑来操控，在长时间的耐久性评价中，可自动测量各种各样条件下的特性。此外，可用电脑来监视和记录流量和各种温度（电池温度、气泡发生器水温、出口和入口管道的温度、供给气体温度等）、以及背压。

电流-电压特性测量试验 在电流-电压特性测量试验中，测量对于负荷电流的电池电压，用塔菲尔图表示出来。另外，还可进行将气体流量控制为一个不变量的评价和将气体利用率控制为一个不变量（cc/A设定）的评价、并可通过预先设定电池面积来设定电流密度（mA/cm2）。

恒定电流测量、恒定电压测量、OCV测试 在恒定电流测量试验中，使燃料电池在恒定电流下连续进行，测量电池电压和内部电阻，记录其随时间变化的情况。这里，也可进行将气体利用率控制为一个不变量（cc/A设定）的评价、以及通过设定电流密度（mA/cm2）的评价。 在恒定电压测量试验中，使燃料电池在恒定电压下连续运行，记录负荷电流随时间变化的情况。 在OCV测量试验中，测量燃料电池的开路电压（OCV：负荷电流为0A时的电池电压），记录其随时间变化的情况。 FC2006安全保护系统 考虑到了根据各种警报，进行气体切断、净化等的安全措施。能够检测氢气泄露、电池电压异常、电池温度异常、气泡发生器水位异常、气体供给压力下降、电池压力上升、负荷装置过载、异常过热，由此自动停止运行。此外，也能够通过来自外部的停止命令和装置盘面上的紧急停止按钮，用手动方式停止运行。 根据这些停止信号，将系统强制关闭，在切断了燃料气体之后，就使净化气体流过。可以关闭后重新启动，也可以在等待到达规定的时间之前继续保持这样的状态。也可以在停电时自动停止净化动作。FC2006系统的可适用范围：详细内容将根据条件不同而有所区别。

名称：100kW燃料电池发动机（Ⅰ－A型）

项目介绍：额定输出100kW燃料电池发动机主要由电堆与其支撑系统组成。电堆分别由180节电池组成的三个电池组构成；支撑系统包括氢气系统、空气系统、水热管理系统及电控系统。氢气系统主要由氢气减/稳压装置、流量调节装置、氢气内循环装置、分/排水装置及废气排放装置等构成；空气系统主要由空气压缩机、压力调节装置、排气装置及消音装置等构成；水热管理系统由电堆水热管理、空压机泵头水热管理、空压机驱动电机热管理及空压机变频控制器热管理子系统构成。电堆水热管理子系统主要由分/排水装置、循环水泵、散热器等组成。电控系统主要由主控ECU、温度/压力传感器、单电池电压巡检装置及流量控制阀件驱动电路等构成。

该发动机操作采取了变压操作模式，发动机在不同工况下进入不同压力状态使系统的操作性与功耗更加合理。同时发动机控制采用了功率自适应模式，提高了发动机的可靠性，减小了上层ECU对发动机控制的复杂性。

燃料电池发动机的规格及性能如下：

额定输出功率：≥100kW

过载能力：≥20%（最高可达120kW）

外型尺寸：（m）

总重量；1000kg，重量比功率：92W/kg

输出电压：开路电压：550V，工作电压：300~360V

发动机效率：41%

使用氢气纯度：≥99.9%

额定电池平均电压：0.75V

适应环境温度范围：10-45摄氏度

冷却介质：去离子水

噪音：≤85dB

排放物质：纯净水

加载速度：＜0.1秒钟/kW

控制形式：功率自适应

与外部可能的通讯形式：CAN

与外部可能的通讯内容：

接受：启动、关闭

发出：总电压、总电流、堆功率、堆温度、氢气压力、空气压力、水路压力、最低单节电压

应用范围：清洁能源型大型客车动力、分散电站、公共单位热电并供。

成果形式及现有基础：本所具有自主知识产权的全套国产技术（包括核心电堆制作技术，系统元器件设计及其系统集成技术）

合作形式：我方出技术，对方出资，合作建厂。

市场预测：仅北京市就有十多万辆公交大巴，如果全部改成燃料电池发动机驱动，其用量非常巨大。

对合作者要求：首先对新技术具有充分的理解，其次对环境污染/能源枯竭具有充分的认识，最后具有风险投资意识。

名称：直接甲醇燃料电池微电源系统

项目介绍：直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接以甲醇为燃料的一类质子交换膜燃料电池。甲醇燃料来源丰富，价格便宜，理论比能量密度高(6000 Wh/kg)，便于携带与储存。整个电池具有结构简单、方便灵活等特点。DMFC可作为偏远地区、海岛荒漠等小型独立电源；国防通讯、单兵作战电源；手机、摄像机、笔记本电脑等移动电源；军民通用的传感器件等。

该项目已申请2项美国发明专利，15项中国发明专利的自主知识产权核心技术。目前可提供DMFC关键材料和电池组制备技术。(1)关键材料：铂基电催化剂（Pt/C、PtRu/C、PtRuIr/C等，粒径可控在2－5纳米之间）；复合双极板（电导率高达120Scm-1）；新型阻醇电解质膜、MEA；(2)电池组：空气自呼吸式DMFC的玩具车、PDA和手机电源的演示系统；石墨板为双极板的15 W电池组；以不锈钢为双极板的20 W电池组；金属复合板为双极板的200W电池组。

名称：电动车用镍氢动力电池

项目介绍：该项目产品镍氢动力电池是国家863计划支持下的高科技产品，品种有6.5～150Ah系列,电池大电流充放电性能好，功率密度达300～1000W/kg,能量密度达50～70Wh/kg,寿命长，可按需要设计成不同电压等级的系统(含电池组管理系统)，性能可靠；曾在各类电动车上得到良好应用，国内领先并达国际先进水平，获部级成果二、三等奖等多项奖，获专利十余项。可应用于各类电动车、军用武器装备及各类电源需求，效益显著。

名称：燃料电池电动汽车用DC-DC变换器

项目介绍：燃料电池电动汽车用DC-DC变换器是燃料电池汽车的关键部件之一。株洲电力机车研究所在该产品研制方面积累了一定的经验，产品已在同济大学装车，目前运行情况良好。本所研制的产品具有体积小、重量轻、转换效率高、可通讯等特点。

该产品除可为燃料电池配套使用外，还可以和其他环保能源配套使用。如太阳能电池、风力发等，也可在要求直流电源变换的场合使用。

名称：碲化镉薄膜太阳电池的制造技术及中试生产线

项目介绍：该项成果是一种新产品――碲化镉薄膜太阳电池、以及相应的新工艺――以制备大面积化合物半导体薄膜为主的制造技术，并提供实施这些技术的关键设备，以建立年产0.3兆瓦的中试生产线。小面积电池的转换效率为13.38%，在国内领先，属于世界先进水平；已研制出50cm2组件，开路电压高于6.3V，输出功率0.3--0.4Wp，可作为小型电器的电源。大面积太阳电池组件的应用非常广泛，受到国家的支持和鼓励。本项成果的特点在于，除提供成套的制造技术、生产线设计以外，还提供价值900万元以上的关键设备。此项成果有很好的应用前景。预计建立中试生产线的投资规模为1600万元，年产1兆瓦的生产线的投资规模为4800万元；年产量为1兆瓦时，其成本低于14元/瓦，年毛利可达1000万元。随产量的扩大、关键材料的国产化，成本下降还有较大的空间。

名称：燃料电池产品的创新研究开发和工程化开发

项目介绍：本中心设立的主要目的是组织国家力量进行燃料电池产品的创新研究开发和工程化开发，引导培育燃料电池应用市场，培养燃料电池专业人才，交流、跟踪国际燃料电池先进技术。通过3-5年建设，形成燃料电池及氢源技术领域的产业化技术和原型产品开发能力；成为全国燃料电池及氢源技术产业化领域的技术、产品和设备的检验测试基地；成为制定全国燃料电池及氢源技术产业化领域的各种标准的中心，并成为氢能利用的示范基地。

该项目属高科技型项目，属科技开发范围，可获得市场垄断性的高附加值效益，只要开发的产品有实用价值，并能获得客户的技术认可、经济认可和价值认可，该项目具有长期的清洁能源环保的社会效益价值，可转变为良好财务收益价值。

名称：燃料电池轿车电机及其控制系统

项目介绍：（1）该课题完成的“电动汽车用高速永磁无刷电机控制技术”对于大功率、高密度、永磁无刷电机的控制具有指导意义，基本解决了车用永磁电机控制关键问题，可以用于机器人电驱动技术和轨道车辆电力牵引装备，具有较大的社会效益。

（2）该课题完成的“电动汽车用IPM驱动器电磁兼容性设计与结构设计技术”，为开发具有良好电磁兼容性能的高密度变频器产品奠定了坚实的基础，进一步推广应用该项技术，可以产生巨大的经济效益。

（3）该课题完成的“电机和电机控制器布局”对于车用电机及其控制系统的设计和布置具有很高参考价值，其在相关领域的直接应用具有较大的经济效益。

（4）对稀土永磁材料工业的推动

我国是稀土大国，蕴藏量居世界首位，稀土永磁材料本身就是同石油一样的战略性资源，可以等同于能源看待。所以稀土永磁材料在电动汽车无刷电机驱动系统的成功应用，不仅对我国的汽车工业产生良好的发展作用，对国家稀土永磁产业也产生巨大的拉动效应，产生可观的经济效益。

（5）工业控制技术的推动

课题组应用了永磁无刷电机的弱磁控制技术。这项技术应用时，应设计阻抗-电压-频率关系相互匹配的电机，以满足工业中需要在3-4倍基速恒功率输出的要求，此项技术应用，对于工业伺服驱动系统、轨道车辆电力牵引装备的国产化，有十分重要的意义。对于工业驱动，特别是对要求具有较宽的调速范围的应用场合，具有潜在巨大的经济效益。

（6）推动同行业其它电动车的发展

对于已完成的电动汽车电机及其控制系统的研究成果，可以进一步应用于其它电动车辆的电驱动系统，特别是轮毂电机传动系统，对于取消车轴的车辆传动系统，有很大的优势。同济大学汽车学院“春晖一号”、“春晖二号”、“春晖三号”四轮驱动概念车的研制成功，本课题组为其提供了驱动的心脏--无刷轮毂电机，这就是一个很好的应用典范。

名称：直接甲醇燃料电池研制

项目介绍：主要研究内容是甲醇电氧化催化剂和耐甲醇阴极催化剂的研制；质子交换膜的改性；电极和膜电极集合体制备工艺研究；新型电池组结构的研究；瓦级和百瓦级电池组研制及其性能测试。

在以上研究工作的基础上，组装瓦级和百瓦级电池组，进行性能测试、改进，探讨工作条件对电池性能的影响。

主要成果：直接甲醇燃料电池电动自行车

直接甲醇燃料电池电动自行车是我公司在国家863计划支持下开发研制的具有自主知识产权的科研成果，该车以200W级直接甲醇燃料电池为核心，包括甲醇燃料循环系统氧化剂供料系统、电堆预热系统、控制系统、直流转换模块等部分。电堆稳定输出220W，峰值可达400W，电动自行车时速20公里每小时。该车是国内首辆直接甲醇燃料电池电动自行车。

名称：直接甲醇燃料电池关键技术的研究

项目介绍：该课题以创新方法研制高效高贵金属载量催化剂和阻醇膜，研制具有高三相界面的MEA，并进行全面表征。通过解决催化剂毒化、甲醇渗透等关键技术难点及构筑立体电极降低液封问题，在此基础上研制5-100W的电池，单电池的性能达到国际水平。实验结果表明，本课题研制的电堆在90oC时的功率密度可以达到200mW/cm2。当使用自制的纳米碳化钨增强的Pt/C阴极催化剂时，Pt的含量仅为1mg/cm2，在70oC时，电池的输出功率可超过200mW/cm2。

本课题的实施从基础研究入手，以解决实际问题为前提，得到了良好的效果。取得了如下主要成果：

（1）本课题发明的交替微波法制备催化剂，其制备过程简单，方便，快速，是一种创新技术。

（2）本课题研制的氧化物增强Pd基阳极催化剂和纳米碳化钨增强非铂阴极催化剂均属国际首创。

（3）以均相流延法制备有机/无机纳米材料复合阻醇膜和自保湿膜，是一种创新技术，应用该技术可达到有机/无机材料不分相、混合均匀的目的，避免固体材料在液体相中分布不均匀的情况出现。

（4）本课题发明的膜电极制备技术达到了国际先进水平（通过广东省级成果鉴定）。

（5）自主研制了高质量的膜电极组装仪和CCM仪（膜表面直接载催化剂），这是液体燃料电池成功的关键技术

名称：直接醇类燃料电池微电源系统集成关键技术

项目介绍：直接醇类燃料电池（DAFC）使用液体燃料直接进料，无需重整改质处理，甲醇、乙醇等燃料便于携带与储存，电池比能量密度高、系统简单、方便灵活，因而受到越来越广泛的关注。本项目针对目前直接醇类燃料电池的低温醇类燃料阳极氧化动力学过程较慢；电极催化剂易被CO等反应中间体毒化；燃料甲醇、乙醇等从阳极向阴极的渗透致使电池性能不断衰减，使用寿命较短等问题，在关键材料、核心部件制备技术和系统集成诸多方面开展了研究。

该项目开发了直接醇类燃料电池微电源系统集成技术，研制成功系列重量轻，体积小，在民用小型电子移动设备，军用可移动电源等方面具有广泛应用前景的直接醇类燃料电池（DAFC）微电源系统。研制DAFC微电源系统的输出功率峰值可达20-60瓦。已申请15项发明专利，在核心技术方面拥有自主的知识产权。关键技术：

1.高担载、高分散、粒径可控，形貌/优势晶面可控的电催化剂制备技术

2.多层复合电极结构和关键组分具有一定取向的MEA制备及其批量生产技术

3.系统集成技术：主动式和被动式直接醇类燃料电池的系统集成技术

技术水平：研制的微电源系统的技术指标与国际同期同类研究水平相近。核心部件（MEA）性能经国际同行评估，达到国际先进水平。研制的关键材料催化剂的性能经英国Johnson Matthey 公司和韩国SAIT评估，结果表明，催化剂的性能达到或超过国外同类商品指标。

名称：碱性离子交换膜直接甲醇燃料电池研究

项目介绍：碱性电解质膜燃料电池（AEMFC）与目前流行的质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，突出的优点在于可以使用非铂催化剂，这对燃料电池的普及应用具有非常重要的意义。实现AEMFC的难点在于目前缺乏高性能的碱性聚合物电解质。目前商品化的季铵盐聚合物离子电导率较低、热稳定性差，而且无法从溶液铸膜，无法使用于燃料电池。我们在执行863课题“碱性离子交换膜直接甲醇燃料电池研究”的过程中，成功地研制出一种高性能的碱性聚合物电解质，其离子电导率大于0.01S/cm，可由溶液成膜，膜机械强度优良。目前我们已经使用这种碱性聚合物电解质成功地实现真正意义上的碱性电解质膜直接甲醇燃料电池（AEM-DMFC），国际上尚未见有相同报道。这项成果是一种重要的燃料电池关键材料，将为燃料池的研发带来一种全新的局面。

名称：50kW级天然气熔融碳酸盐燃料电池发电系统

项目介绍：熔融碳酸盐燃料电池开展了燃料电池电极、电解质板生产和研发基地的建设；初步建立了可进行百瓦级发电实验的基地。研制和开发了面积达0.5m2的电池电极；电解质板的面积达到了0.8m2；双极板的制作工艺研究提高了耐腐蚀性能和电池的性能。产气量为100立方米/小时的天然气外重整装置已经研制完成并安装到位；10 kW级电池组已经制造完成并进行发电试验。完成了50 kW级熔融碳酸盐燃料电池示范电站测试系统制造和调试。

通过高温燃料电池研究，已具备自主加工制造熔融碳酸盐燃料电池的各个组件的能力，成功研制和开发了10kW的电堆和50kW的系统。形成50kW级示范电站完整的自主知识产权，建立了大型熔融碳酸盐燃料电池电池组关键材料电极、电解质板、双极板的中试化制备基地，形成大型熔融碳酸盐燃料电池电池组关键材料制备技术的自主知识产权。已经具备了研制数十千瓦级熔融碳酸盐燃料电池发电系统的能力，为建立中试规模生产基地奠定了基础。

名称：5千瓦级平板型中温固体氧化物燃料电池技术

项目介绍：固体氧化物燃料电池已基本完成了各关键材料和关键技术的攻关，设计建立1000W级电池堆控制测试系统，小电池组实验运行获得成功，电池组含58片单电池，工作温度850℃ ，输出功率达到445W。平板型中温固体氧化物燃料电池数百瓦级的电池堆实验运行获得成功，为进一步优化放大奠定了基础，并具有完全的自主知识产权。在大面积阳极支撑型电解质膜，高温密封材料，合金连接板的保护涂层等关键部件的研制上取得突破，建立了千瓦级的电池堆控制系统，已经具备了研制数千瓦级固体氧化物燃料电池发电系统的能力。

名称：燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理模块

项目介绍：研制的燃料电池轿车用35Ah锂离子动力电池采用新型锰系正极材料，单体电池样品已通过10V过充和穿刺两项安全试验，循环寿命已达到500次循环容量衰减5%，形成了年产150吨的生产能力。

名称：EQ6110HEV混合动力城市公交车开发

项目介绍：东风EQ6110HEV混合动力城市公交车由东风电动车辆股份有限公司研发，采用了多项发明专利，拥有完全自主知识产权。整体水平国内领先、与国际先进技术相当，某些关键技术处于国际领先水平。在国内率先投入城市公交线商业化示范运营。经过多年开发，东风混合动力公交车完成了最终产品定型，并按国家标准完成了定型试验。完成国家产品公告申报后，即可成为中国第一代混合动力汽车商品车销售。图为外观现代、精致的东风EQ6110HEV混合动力公交定型样车。该车已进入生产准备和市场导入阶段。东风电动车公司已成立产业化领导小组，专项推动产业化准备工作。目前，零部件和整车生产准备、质量保证、零部件采购、生产阵地改造完善、服务保障体系建设工作已陆续展开。