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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。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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)。項(xiàng)目取得完整知識產(chǎn)權(quán)，申請發(fā)明專利15件，授權(quán)發(fā)明專利8件。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心及化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的曾杰教授團(tuán)隊(duì)和國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室鮑駿教授團(tuán)隊(duì)合作，通過精準(zhǔn)的氧化刻蝕，調(diào)控鈀鉑合金的形貌和組分，設(shè)計并構(gòu)筑出了超立方體框架結(jié)構(gòu)催化劑，其在氫氧燃料電池陰極反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。研究成果以 “Pd-Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction”為題發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上（J. Am. Chem.Soc. 2021,doi.org/10.1021/jacs.0c12282）。該研究團(tuán)隊(duì)受三維立方體向四維超立方體演變的啟發(fā)，將鈀鉑均勻合金立方體進(jìn)行氧化刻蝕，通過精準(zhǔn)調(diào)控鈀原子的去除和余下鈀原子與鉑原子的重排，得到鈀鉑合金超立方體框架結(jié)構(gòu)（圖 1）。此外，通過調(diào)節(jié)初始立方體中鈀、鉑兩種元素的比例，還可以得到八足體和立方框架結(jié)構(gòu)。在氫氧燃料電池陰極催化測試中，立方框架結(jié)構(gòu)、超立方體結(jié)構(gòu)和八足體結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量活性分別達(dá)到了商用鉑碳催化劑的 4.1 倍，11.6 倍和 8.3 倍。此外，超立方體結(jié)構(gòu)催化劑還表現(xiàn)出了最高的本征活性（2.09 安培每平方厘米）和優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。密度泛函理論計算表明超立方體表面晶面的氧吸附能最接近于理論最優(yōu)值，這一趨勢與實(shí)際測試的氧還原活性順序相一致。這種新的超立方體框架催化劑設(shè)計理念為今后相關(guān)電催化劑的設(shè)計提供了新的思路。

本實(shí)用新型公開了一種液體燃料噴霧擴(kuò)散燃燒特性研究系統(tǒng)。包括定容燃燒彈彈體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火模塊、加熱模塊、高壓共軌系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、紋影成像系統(tǒng)、激光診斷系統(tǒng)、電控單元。本實(shí)用新型可以研究不同初始壓力和溫度下，不同液體燃料的噴霧擴(kuò)散燃燒特性。實(shí)驗(yàn)時，利用點(diǎn)火模塊將預(yù)先充入在定容燃燒彈內(nèi)的預(yù)混可燃?xì)怏w點(diǎn)燃，在定容彈內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境以模擬柴油機(jī)壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)高溫、高壓的環(huán)境，在定容彈壓力下降到設(shè)定值時，控制單元控制噴油器將高壓燃油噴入定容彈內(nèi)，燃油在定容燃燒彈內(nèi)迅速霧化并被壓燃，利用紋影成像系統(tǒng)同步記錄燃油壓燃燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程，結(jié)合激光診斷技術(shù)研究不同液體燃料的噴霧擴(kuò)散燃燒特性。

01. 成果簡介 近年來，隨著氫能利用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，應(yīng)對氣候變化壓力持續(xù)增大，以及氫能市場前景巨大，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，世界發(fā)達(dá)國家均將氫能及綜合應(yīng)用作為未來能源發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。燃料電池汽車融合了內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動汽車的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有零排放、高效與高功率密度的優(yōu)勢，而且續(xù)駛里程足夠長，被業(yè)界公認(rèn)為是新能源汽車的發(fā)展趨勢。經(jīng)過北京奧運(yùn)會23輛、上海世博會的196輛燃料電池汽車的批量示范驗(yàn)證和多輪技術(shù)迭代優(yōu)化，燃料電池汽車開始進(jìn)入交通運(yùn)輸領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，從2013年開始，歐、美、日、韓的燃料電池汽車相繼上市銷售。與國外發(fā)展路徑不同，我國從燃料電池商用車切入推進(jìn)氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，氫燃料電池商用車已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)并在上海、北京、河北、廣東等地示范運(yùn)營。氫能行業(yè)迎來了產(chǎn)品孕育的發(fā)展機(jī)遇。 膜電極作為燃料電池發(fā)動機(jī)的核心部件，代表企業(yè)如美國GORE公司、英國Johnson Matthey公司。本項(xiàng)成果提供了一種制備膜電極的技術(shù)，創(chuàng)新點(diǎn)為：1）采用“熱定型法”工藝制備催化層，優(yōu)化電化學(xué)三相界面和促進(jìn)多相傳質(zhì)，解決了傳統(tǒng)膜電極性能低、壽命短瓶頸問題；2）發(fā)明了將質(zhì)子交換膜和催化層封裝在氣體擴(kuò)散層內(nèi)的一體化膜電極產(chǎn)品，提升了燃料電池的一致性和可靠性,并提高了電堆生產(chǎn)效率。該項(xiàng)成果已應(yīng)用于示范項(xiàng)目，應(yīng)用情況良好。性能指標(biāo)：1）面電導(dǎo): >40S/cm22）拉伸強(qiáng)度: >35MPa3）H2滲透率:<2mA/cm24）0.6V@2.5A/cm2 (測試條件：1.5atm,70℃,空氣計量數(shù)2.3,濕度80%)5）壽命:20000小時（加速老化法,10%性能衰減）02. 應(yīng)用前景 燃料電池03. 知識產(chǎn)權(quán) 本項(xiàng)成果已申請專利22項(xiàng)。04. 團(tuán)隊(duì)介紹 團(tuán)隊(duì)在燃料電池應(yīng)用研究方面已有超過20年的技術(shù)積累，在技術(shù)開發(fā)和成果轉(zhuǎn)化過程中，先后獲得“第十九屆全國發(fā)明展覽會發(fā)明獎”金獎、北京市第三屆發(fā)明專利獎一等獎、“清華大學(xué)科研成果推廣應(yīng)用效益獎”二等獎、“第十屆國際發(fā)明展覽會發(fā)明獎”金獎、湖北省技術(shù)發(fā)明獎等多項(xiàng)獎勵。負(fù)責(zé)人為副教授、博士生導(dǎo)師，累計在多個國際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文96多篇，申請發(fā)明專利60余項(xiàng)。05. 合作方式 技術(shù)許可。06.聯(lián)系方式 lijiaoli2016@tsinghua.edu.cn wangcheng@tsinghua.edu.cn

成果簡介：該技術(shù)是指以柴油機(jī)為平臺的天然氣發(fā)動機(jī)多點(diǎn)電噴電子控制系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在燃用柴油時，可將天然氣切斷；燃用天然氣時，需少量柴油起點(diǎn)火作用。對柴油機(jī)需要進(jìn)行壓縮比的改造，并加裝各種電控傳感器和執(zhí)行器。電控單元以16位單片機(jī)為核心控制天然氣的多點(diǎn)噴射，外接端口具備串口通訊和CAN總線。 項(xiàng)目來源：自行開發(fā) 技術(shù)領(lǐng)域：先進(jìn)制造 應(yīng)用范圍：柴油機(jī)廠 現(xiàn)狀特點(diǎn)：天然氣對柴油的替代率平均不少于80%，達(dá)到國內(nèi)外同類機(jī)型的水平。 成

節(jié)能和環(huán)保是綠色社會的主要議題，發(fā)展取代化石燃料的新能源技術(shù)迫在眉睫。鋅-空氣電池是一種化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，由于其理論能量密度高、安全性高、價格低廉以及環(huán)保等優(yōu)勢有望彌補(bǔ)鋰離子電池的缺陷而成為下一代新能源電池。柔性可穿戴電子器件是5G時代先進(jìn)制造業(yè)的重點(diǎn)研究方向，尤其是便攜式電子產(chǎn)品正朝著超薄、集成、靈活的可穿戴設(shè)備方向發(fā)展。作為一個新興領(lǐng)域，柔性鋅-空氣電池符合可穿戴電子設(shè)備的要求，發(fā)展?jié)摿薮蟆?柔性電池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，柔性鋅空氣電池的容量和能量密度等關(guān)鍵參數(shù)很大程度上取決于催化劑和正極材料。團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)電池正極材料這一難題，積極自主研發(fā)，致力于發(fā)展具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的下一代新型高容量柔性鋅空氣電池。目前，團(tuán)隊(duì)制備的高容量/耐低溫柔性鋅空氣電池可用于穿戴的智能電子產(chǎn)品，病人植入式監(jiān)測、追蹤和定位的醫(yī)療器械、物聯(lián)網(wǎng)智能標(biāo)簽、環(huán)境傳感器、助聽器等等。

1 成果簡介作為一種清潔、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置， 燃料電池是各種電化學(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。燃料電池在發(fā)電過程中，除了提供電能以外，還會產(chǎn)生廢熱。所以傳統(tǒng)燃料電池電堆中，單片燃料電池之間通常設(shè)有冷卻板，需要采用大流量的空氣或者冷卻水來為燃料電池散熱。而燃料電池工作時需要?dú)錃庾鳛槿剂希绻詢浜辖鹱鳛闅湓矗瑒t儲氫合金在釋放氫氣時會吸收熱量。 本成果將燃料電池與儲氫單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耦合，可利用儲氫合金來部分吸收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的廢熱，既解決了燃料電池水管理和熱管理的難題，又能解決儲氫單元放氫穩(wěn)定性的問題，還能降低燃料電池系統(tǒng)寄生功率，提高系統(tǒng)的功率密度和能量密度。表 1 中列出了耦合型燃料電池的性能參數(shù)。本成果耦合型質(zhì)子交換膜燃料電池解決了質(zhì)子交換膜燃料電池的水熱管理問題，能夠使燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，能量密度和功率密度更高。 上圖 耦合燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部結(jié)構(gòu)圖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，燃料電池家用電源已經(jīng)在日本產(chǎn)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)化主要問題是價格較高（采用進(jìn)口材料成本昂貴），而本項(xiàng)目利用國產(chǎn)原材料制備燃料電池電源，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 效益分析由于目前國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品，而且各行各業(yè)對新型電源的需求比較迫切，因此本成果具有較大的推廣空間。 如批量生產(chǎn)， 本電源價格每臺約 1500 元/千瓦。 來自政府的資金補(bǔ)助以及軍事、工業(yè)、新能源等應(yīng)用領(lǐng)域的直接采購是使燃料電池電源商業(yè)化逐漸興盛的主因。據(jù)美國市場研究機(jī)構(gòu) Pike Research 估計， 2016 年市場上的主力燃料電池產(chǎn)品功率將在 100W~2kW 之間，用于替代部分鉛酸電池和柴汽油發(fā)電機(jī)，主要應(yīng)用于船舶、 專用車、無人載具、 戰(zhàn)場支持系統(tǒng)、 備用電源、 應(yīng)急電源等。

1 成果簡介燃料電池應(yīng)用于軍事、汽車、移動設(shè)備和家庭等領(lǐng)域。對于新生產(chǎn)的燃料電池堆，或在用的燃料電池堆，常需要了解電池堆內(nèi)各節(jié)燃料電池的一致性和膜電極情況，但是國內(nèi)外一直缺少檢測燃料電池堆膜電極的技術(shù)和測量裝置。 課題組研究出一種可方便檢測燃料電池堆膜電極狀況參數(shù)的方法和儀器。該測量儀具有如下功能和特點(diǎn)：可同步測量膜電極的催化劑有效活性面積、雙電層電容、氫滲透電流和阻抗；數(shù)據(jù)自動采樣，結(jié)果自動處理；可用于測量燃料電池單體和燃料電池堆，解決了以往即使檢測燃料電池單體膜電極也需要多臺測試儀器的問題，填補(bǔ)了燃料電池堆膜電極檢測儀器的空白。測量儀可用于科研中對燃料電池內(nèi)部不一致性的檢查和原因辨析，可用于對各種場合的燃料電池堆進(jìn)行現(xiàn)場檢查和老化診斷，可用作燃料電池堆初裝過程中的成組選配檢測工具。查新表明，國內(nèi)外目前尚未發(fā)現(xiàn)有相似原理的儀器，具有較大的推廣使用空間。測量儀包括硬件部分和軟件部分。研究組已開發(fā)出測量儀的初級版，參見下圖。初級版的測試軟件基于 Labview 編寫，界面簡單易操作，通過配合電腦完成測量。研究組現(xiàn)在正進(jìn)行開發(fā)測量儀器的升級版，期望其能夠脫離電腦單獨(dú)測量，更美觀，更實(shí)用。  上圖 初級版電池堆膜電極檢測儀2 應(yīng)用說明研究組應(yīng)用該方法和測量儀進(jìn)行了多次測量和研究，成果在國際國內(nèi)會議的宣傳推廣中得到了許多同行的好評，并表示有購買意向。