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1）質(zhì)子交換膜燃料電池電堆 質(zhì)子交換膜燃料電池是指一類以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池體系，這種燃料電池也經(jīng)常被稱為固態(tài)聚合物燃料電池，電池中包括質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴散層、雙極板，一般將質(zhì)子交換膜、催化劑層及氣體擴散層電極壓成一體，并稱為膜電極集合體。 研究組目前掌握質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的關(guān)鍵技術(shù)，包括各關(guān)鍵材料的結(jié)構(gòu)、特性，并開展了大量研究實驗分析環(huán)境濕度、工作壓力、工作溫度、反應(yīng)氣體條件、燃料利用率和空氣利用率等對電池電壓-電流性能的影響。已有定型產(chǎn)品，具備科技成果的技術(shù)轉(zhuǎn)化能力。 2）車用燃料電池系統(tǒng) 用燃料電池做電源驅(qū)動汽車是電動汽車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能或的。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。具備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)能力。 3）軍用燃料電池系統(tǒng) 軍事上的應(yīng)用是燃料電池最主要的也是最適合的市場之一，其最初就是作為宇宙飛船或潛艇使用的數(shù)千瓦級能源而開發(fā)的。此后,由于各國政府尤其是加拿大、美國和德國對質(zhì)子交換膜燃料電池用于航空航天和軍事領(lǐng)域研究的重視和資助,使得其技術(shù)越來越成熟,性能日益提高。 針對軍事應(yīng)用領(lǐng)域的潛艇動力源、通信指揮系統(tǒng)電源、軍事備用電源、應(yīng)急照明電源以及航空航天領(lǐng)域等，研制一款氫能備用電源產(chǎn)品，采用箱柜式機體外殼，內(nèi)部可根據(jù)需要配置單個或多個質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模塊，并外置多個固態(tài)氫存儲裝置，滿足各種用電需求。

小型燃料電池的基本要求應(yīng)是可以室溫快速啟動、工作溫度低、壽命長、比功率和比能量高、燃料和氧化劑便宜易得、易儲存和攜帶（無毒或低毒，或者有毒物無外滲透問題）、且整體體積小等。根據(jù)燃料電池的分類及工作原理，只有低醇類質(zhì)子交換膜燃料電池最接近這一要求。但質(zhì)子交換膜燃料電池商品化必須解決成本和燃料兩大問題。據(jù)報，目前質(zhì)子交換膜燃料電池成本已降至每千瓦數(shù)百美元，通過批量生產(chǎn)和提高技術(shù)水平，還有可能進一步降低成本。最理想的燃料是純氫，但儲氫材料及其安全性仍是極大困難。含一個碳的甲醇（CH3OH）在催化劑的作用下部分氧化、并經(jīng)凈化制富氫，是一個理想的替代氫源，而且原有的加油系統(tǒng)可以共用。但甲醇蒸汽有毒（會造成眼睛失明）且甲醇易滲透污染地下水，因此，直接甲醇燃料電池必須很好地解決密封和環(huán)保處理問題。而這一困難，對于間接甲醇燃料電池就比較容易解決。所謂間接甲醇燃料電池，就是將燃料系統(tǒng)分開，先用甲醇催化氧化制出富氫，而后再進入電池作為燃料。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點， 是電動汽車的理想動力源。但燃料電池電動汽車(FCV)的商業(yè)化，必須解決基 于碳載鉗(Pt/C)催化劑FCV的高成本問題。 自2009年美國科學(xué)家在Science雜志報道氮參雜碳納米管(NC)具有潛在 的氧還原(0RR)催化活性以來，化學(xué)家與材料科學(xué)家一直在探尋如何進一步 提高NC材料的0RR催化活性的方法，以代替目前燃料電池發(fā)動機中的Pt/C催化劑。因此，我們的研究團隊基于氮參雜石墨烯(NG)材料，在國際上首次通過 “NG分子結(jié)構(gòu)一NG電導(dǎo)率一0RR催化活性”的關(guān)聯(lián)，找到了該科學(xué)難題的突破 點.我們在分子結(jié)構(gòu)模擬的基礎(chǔ)上，認(rèn)識到三種氮參雜NG材料中，既唳型和既 咯型具有二維平面結(jié)構(gòu)，使NG保持了石墨烯原有的平面共輾大兀鍵結(jié)構(gòu)，具 有良好的導(dǎo)電性，因而具有優(yōu)異的0RR催化活性；而丁基型NG為三維空間不 平整結(jié)構(gòu)，破壞了石墨烯原有的二維平面共巍大e鍵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性差，因而0RR 催化活性低。因此，有效的氮參雜應(yīng)以唬唳型和唬咯型為主，盡可能減少甚至 杜絕丁基型NG的形成。我們利用層狀材料(LM)的層間限域效應(yīng)，通過調(diào)制LM 層間距，在LM層間插入苯胺單體，層間聚合，然后熱解的方法，獲得平面氮參雜 達90%以上的NG材料。其催化0RR的半波電位僅比Pt/C催化劑落后60mV,是傳 統(tǒng)方法下獲得的NG材料0RR催化活性的54倍，以該材料為正極催化劑的質(zhì)子 交換膜燃料電池的輸出功率達580mW/cm ,與Pt/C催化劑的0RR活性處于同一 個數(shù)量級，為世界領(lǐng)先水平。我們開發(fā)的此類新型NG材料已經(jīng)具備了在燃料 電池發(fā)動機中完全替代Pt/C催化劑的可能性。LM層間近乎封閉的扁平反應(yīng)空間 不僅克服了傳統(tǒng)開放體系下合成的NG以丁基型為主，導(dǎo)電性差，活性低的弊病， 而且也克服了開放體系下因摻N效率低而導(dǎo)致合成NG成本高的問題。該研究成 果意味著，長期困擾燃料電池實用化的高成本問題將不再是瓶頸問題。

能源危機與環(huán)境污染已成為限制當(dāng)今人類社會發(fā)展的兩個問題，而解決能源危機與環(huán)境污染的主要手段就是大力發(fā)展新能源技術(shù)。新能源技術(shù)中的燃料電池技術(shù)以其環(huán)境污染少，發(fā)電效率高而得到人們越來越多的重視。在燃料電池中，燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率不受卡洛循環(huán)限制。目前最具有應(yīng)用前景的是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和固體氧化物燃料電池技術(shù)。燃料電池技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在與新材料的開發(fā)，基于材料的優(yōu)化得到更好的燃料電池產(chǎn)電輸出性能。我們基于固態(tài)離子理論，設(shè)計了一系列燃料電池電極新材料及新結(jié)構(gòu)，以提高電池輸出性能為目的，開發(fā)了一系列高性能的陽極功能材料，陰極層材料與新結(jié)構(gòu)，并取得自主知識產(chǎn)權(quán)，申請發(fā)明專利多項，目前已有9項相關(guān)專利獲得授權(quán)，在國際上發(fā)表大量學(xué)術(shù)論文。在質(zhì)子交換膜燃料電池制備方面，我們開發(fā)了低成本的熱噴涂法制備質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)，并取得中國發(fā)明專利的授權(quán)，獲取自主知識產(chǎn)權(quán)，并得到應(yīng)用，成功制備了50-1000 W的質(zhì)子交換膜燃料電池電池堆，并改造后應(yīng)用于便攜式電源設(shè)計與分散發(fā)電。結(jié)合使用儲氫材料罐，可得到一套車用發(fā)電系統(tǒng)；在固體氧化物燃料電池單電池制備方面，我們開發(fā)了一套基于陽極基底流延制備、電解質(zhì)與陰極層噴涂制備共燒結(jié)的單電池制備工藝，并用于制備大面積的平板固體氧化物燃料電池，并組裝了平板電池堆，得到的單電池性能優(yōu)越。在前期科技部863項目的資助下，我們開發(fā)了一系列陽極功能層材料，用于以甲烷、煤層氣以及生物質(zhì)氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電，得到了較好的發(fā)電穩(wěn)定性和溫度適應(yīng)性。目前，我們已經(jīng)開發(fā)了便攜式的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置，可用于便攜式供電與不間斷電源；在前期大量的工作基礎(chǔ)上，我們還開發(fā)了完備的固體氧化物燃料電池材料生產(chǎn)技術(shù)和固體氧化物燃料電池單電池制備技術(shù)，將可以為將來的燃料電池產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。●應(yīng)用前景： 目前燃料電池技術(shù)應(yīng)用的最大障礙在于其高成本、低穩(wěn)定性，隨著人們對新能源技術(shù)進步的要求不斷提高和燃料電池技術(shù)的進步，燃料電池技術(shù)應(yīng)用的市場將越來越大。目前燃料電池的低成本制備在新材料開發(fā)的促進下，取得了較大進展，燃料電池技術(shù)商業(yè)化示范運行目前已在美國、日本、德國等國家開展，技術(shù)成熟之后在世界范圍內(nèi)將會有更大的市場前景。

進入 21 世紀(jì)以來，電子與信息技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，各類微小型便攜式電子產(chǎn)品如手機、筆記本電腦、數(shù)碼影像設(shè)備等相繼涌現(xiàn)出來，給人們的生活帶來了極大的便利。但是電子產(chǎn)品升級換代的加快和產(chǎn)品功能的日趨多樣化，對現(xiàn)有微電源系統(tǒng)（鋰離子電池、鎳氫電池等）性能提出越來越高的要求，電子產(chǎn)品設(shè)計中的電源供需矛盾日益突出，形成所謂的“能量鴻溝”（ Power Gap ）。發(fā)展新的高比能電源系統(tǒng)已不可避免地成為突破下一代便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展瓶頸的緊迫任務(wù)。基于微機電系統(tǒng)（ MEMS ）技術(shù)的燃料電池微電源系統(tǒng)，因具有高比能、高效率、清潔環(huán)保、使用方便等突出優(yōu)點而廣受關(guān)注。其理論能量密度為現(xiàn)有鋰離子電池 10 倍以上、能量效率可達 60~70% 、工作過程零排放、可瞬間完成燃料加注，是面向便攜式電子產(chǎn)品的新一代理想替代電源。

直接甲醇燃料電池（DMFC）由于使用液體甲醇作燃料，電池安全，系統(tǒng)簡單，運行方便，具有很廣闊的商業(yè)化前景。從目前的技術(shù)水平看，DMFC的功率密度比氫氧燃料電池低，因此這類電池更適用于小型電器中，如移動電話、筆記本電腦等。美國能源部認(rèn)為用于發(fā)電站和電動汽車的大型燃料電池，商品化制造成本一定要低于$500/kW，而對應(yīng)用于電子產(chǎn)品中的小型燃料電池，其制造成本可允許高達$2000/kW。與二次電池相比，微型或小型DMFC主要具有以下優(yōu)點：（a）長時間連續(xù)提供電能；（b）充加燃料方便，它可避免二次電池充電時間長、電池記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命短等不便；（c）無污染、回收處理方便。北京科技大學(xué)在國家自然科學(xué)基金委、教育部和國家863計劃支持下，開展了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的研究開發(fā)工作：（1）Pt基非貴金屬多元合金、Pt基過渡金屬或稀土金屬氧化物催化劑；(2)甲醇溶液中穩(wěn)定的輕質(zhì)雙極板等材料；(3)催化劑碳載體材料；（4）膜電極及直接醇類燃料電池組樣機。

復(fù)合垃圾衍生燃料制造技術(shù)是開發(fā)低成本、高固硫率和防潮抗水型，適用于工業(yè)鍋爐燃用的復(fù)合垃圾衍生燃料，可以適量加入粘結(jié)劑或根據(jù)生物質(zhì)具體性能對其進行生物化學(xué)預(yù)處理以適當(dāng)提高其粘結(jié)力；可將復(fù)合垃圾衍生燃料的灰分、水分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、燃料比、粒徑大小、焦渣特性、熱變形特性等調(diào)整到有利于燃燒的最佳值，大幅度降低生產(chǎn)成本，使之發(fā)展成先進的高效清潔燃料。 該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是制備出適合我國現(xiàn)有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。RDF制備過程中摻入一定量的煤，不僅有利于提高熱值，均勻分配物料，同時還可以起到助粘的作用；同時，壓制成型塊燃料，使其具有統(tǒng)一形狀和規(guī)格，易實現(xiàn)成型時添加固硫、脫氯劑及催化劑等，再配套合適的燃燒設(shè)備，既有利于高效燃燒又能減少污染。該處理方式，可為國內(nèi)垃圾提供一條新型資源化解決途徑，這樣既節(jié)省了處理垃圾的處理費和供熱燃料費，又減少了固體廢棄物。 本研究利用生物質(zhì)型煤生產(chǎn)工藝來進行了C-RDF成型制備研究。復(fù)合垃圾衍生燃料爐前成型是指直接使用煤場的動力配煤，在不添加或添加少量粘結(jié)劑的條件下，由置于鍋爐旁的成型機成型后直接下落到爐排上，供鍋爐燃用。 垃圾衍生燃料成型工藝主要分為三個工序，即原料制備、攪拌成型和固結(jié)干燥。3個環(huán)節(jié)中重點在于原料制備環(huán)節(jié)。 垃圾衍生燃料之所以能在爐內(nèi)燃燒過程中取得較散煤好的經(jīng)濟和環(huán)境效益，是由于燃料個體形狀規(guī)格，使垃圾衍生燃料層具有均勻分布的空隙率，且其單個空隙容積較大，有利于可燃?xì)怏w的反應(yīng)。燃料層的空隙率大則通風(fēng)阻力小，有助于降低風(fēng)機電耗和結(jié)渣程度。 應(yīng)用范圍： 適合我國現(xiàn)有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。

主要研究內(nèi)容 1、甲醇陽極與氧陰極催化劑研究。 2、固體高分子膜防透醇研究。 3、三合一膜電極制備技術(shù)研究。 4、單體電池的設(shè)計與性能研究。 5、電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與8W樣機研制。技術(shù)指標(biāo) 陽極鉑載量≤3mg/cm2，陰極鉑載量≤1mg/cm2；80℃，單體電池比功率≥80mW/cm2；30℃，陰極為常壓空氣，單體電池比功率≥12mW/cm2；8W樣機正常運行40h。產(chǎn)業(yè)化前景

轉(zhuǎn)子發(fā)動機可廣泛應(yīng)用于無人飛機和電動汽車增程器，該項目以天然氣、汽油和柴油等多種燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動機為對象，聚焦缸內(nèi)工作過程，致力于揭示流動和燃燒過程的發(fā)展規(guī)律，實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣的濃度分布、點火和燃燒的有效控制，以達到高效清潔燃燒的目的。目前已經(jīng)取得的進展包括：國內(nèi)率先建立了光學(xué)轉(zhuǎn)子發(fā)動機實驗臺架和轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程的三維動態(tài)計算模型；國內(nèi)率先完成了缸內(nèi)流場的PIV（Particle Image Velocimetry）測試，發(fā)現(xiàn)了缸內(nèi)渦流的存在并解釋了其產(chǎn)生的原因；通過實驗和數(shù)值模擬研究工作總結(jié)出了轉(zhuǎn)子

乙醇回收滲透汽化膜是由無機材料經(jīng)過高溫?zé)浦苽涠傻幕橹螌樱谥螌颖砻娼?jīng)過特殊制備工藝制備而成的致密膜為分離層的非對稱結(jié)構(gòu)的管式復(fù)合膜，膜表面平整無缺陷，膜層厚度均勻；分離膜與基膜結(jié)合完好，具有抗污能強，使用壽命長的特點，可以用來富集低濃度的含醇溶液的富集。主要應(yīng)用方向有：燃料乙醇發(fā)酵液、丁醇發(fā)酵液、低濃度含醇溶液中的醇類物質(zhì)的富集。