裴普成：清華大學在燃料電池領域有多項研究

3月4日下午
，中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)第12期qi儲chu能neng產chan業ye公gong益yi沙sha龍long在zai中zhong國guo科ke學xue院yuan工gong程cheng熱re物wu理li研yan究jiu所suo舉ju行xing。會hui上shang，主zhu講jiang嘉jia賓bin清qing華hua大da學xue汽qi車che工gong程cheng係xi裴pei普pu成cheng教jiao授shou就jiu燃ran料liao電dian池chi技ji術shu及ji燃ran料liao電dian池chi應ying用yong問wen題ti與yu大da家jia展zhan開kai探tan討tao。作zuo為wei清qing華hua大da學xue教jiao授shou
，裴pei普pu成cheng還hai為wei現xian場chang嘉jia賓bin展zhan示shi了le學xue校xiao在zai燃ran料liao電dian池chi研yan究jiu領ling域yu的de科ke技ji成cheng果guo。

清華大學燃料電池汽車研究概況

據裴普成教授介紹，清華大學對燃料電池車的研究從1999年就已經開始。當時，清華大學曾安裝了一個5千瓦的電堆在一個小平台車上。2001年，清華大學用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年(nian)，國(guo)家(jia)科(ke)技(ji)部(bu)立(li)項(xiang)開(kai)展(zhan)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)客(ke)車(che)和(he)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)轎(jiao)車(che)計(ji)劃(hua)，清(qing)華(hua)大(da)學(xue)被(bei)確(que)定(ding)為(wei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)客(ke)車(che)的(de)牽(qian)頭(tou)單(dan)位(wei)，同(tong)濟(ji)大(da)學(xue)負(fu)責(ze)牽(qian)頭(tou)做(zuo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)轎(jiao)車(che)。

2002年12月30日晚
，清華大學的50qianwaranliaodianchikechecongshiyanshikaichulai。zheshizhongguodiyiliangranliaodianchikeche，yediyitaiqingkongxingranliaodianchixitongzhuangche
，shizhenzhengderanliaodianchifadongjiqiche。zaizhiqianqinghuadaxuederanliaodianchicheshang，doushiyongyangqipinggongqi
，ranliaodianchishiyongdeshichunyang。

2002年之後，清華大學曾逐年提升對燃料電池係統功率的要求
，最高到130千瓦。研究得知，燃料電池的功率並非越大越好。比如安裝一輛12到13dundeqiche，jishiqianwaderanliaodianchijiuyijingzugoushiyong，yinweihaiyouxudianchizudechuneng。xianzai，qinghuadaxuezuoderanliaodianchikechejibenshiyongderanliaodianchigonglvzai50到60千瓦。

2008年
，清華大學在北京奧運會期間投入了三輛燃料電池公交車，與2007年戴克公司試運行的汽車走同樣路線
、停ting同tong樣yang站zhan台tai，並bing同tong樣yang運yun行xing一yi年nian時shi間jian
，以yi此ci對dui燃ran料liao電dian池chi的de性xing能neng進jin行xing考kao核he。與yu戴dai克ke的de三san輛liang車che相xiang比bi，清qing華hua大da學xue燃ran料liao電dian池chi汽qi車che的de氫qing氣qi消xiao耗hao量liang明ming顯xian低di很hen多duo。戴dai克ke的de汽qi車che百bai公gong裏li耗hao氫qing量liang約yue為wei百bai公gong裏li16公斤
，而清華把汽車的耗氫量降至7到8公斤。此後，清華大學又為2010年上海世博會提供三輛公交車，並運行半年；同年，為新加坡首屆國際青奧會提供一輛燃料電池公交車
，並運行半年。它們經曆春夏秋冬

、高溫多雨的考驗，狀態良好。

通過比對戴克同一批次的汽車
，在北京運行的3輛車大概運行800到900個(ge)小(xiao)時(shi)就(jiu)不(bu)行(xing)了(le)，在(zai)歐(ou)洲(zhou)運(yun)行(xing)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)要(yao)好(hao)得(de)多(duo)。在(zai)戴(dai)克(ke)的(de)總(zong)結(jie)報(bao)告(gao)會(hui)上(shang)
，令(ling)人(ren)印(yin)象(xiang)深(shen)刻(ke)的(de)結(jie)論(lun)是(shi)北(bei)京(jing)的(de)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)太(tai)差(cha)。因(yin)此(ci)中(zhong)國(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)發(fa)展(zhan)，環(huan)境(jing)因(yin)素(su)增(zeng)加(jia)了(le)更(geng)大(da)挑(tiao)戰(zhan)

，也(ye)證(zheng)明(ming)發(fa)展(zhan)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)車(che)更(geng)有(you)必(bi)要(yao)。

yuguowairanliaodianchixiangbi，woguoranliaodianchiduineibuyizhixingjiaocha。guowaixianjinranliaodianchiduidoushishengchanxianshangxialaide

，yizhixingjiaohao。erguoneideshengchanhuanjiecunzaihenduorenweiyinsu，daozhijieguobuhaokongzhi。weitigaodianduiyizhixing，yanchangranliaodianchishouming，peipuchengjiaoshoulingdaodeyanjiuzukaizhanleruxiagongzuo。

雙極板批量製造技術

清華在FC耐(nai)久(jiu)性(xing)方(fang)麵(mian)做(zuo)了(le)很(hen)多(duo)努(nu)力(li)，研(yan)究(jiu)了(le)雙(shuang)極(ji)板(ban)批(pi)量(liang)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)。過(guo)去(qu)製(zhi)作(zuo)雙(shuang)極(ji)板(ban)使(shi)用(yong)雕(diao)刻(ke)技(ji)術(shu)，購(gou)買(mai)板(ban)子(zi)然(ran)後(hou)雕(diao)刻(ke)加(jia)工(gong)，通(tong)常(chang)一(yi)張(zhang)板(ban)子(zi)的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)需(xu)要(yao)300元，加工費400元，總成本約700元,一個雙極板需要兩張板。國外使用衝壓技術生產一個雙極板僅需要6美元。清華大學曾設計出模壓柔性石墨雙極板、衝壓金屬雙極板。一方麵可以降低成本，另一方麵能保障雙極板的一致性。

此ci外wai，研yan究jiu發fa現xian，電dian堆dui故gu障zhang往wang往wang因yin為wei積ji水shui，與yu積ji水shui和he加jia工gong缺que陷xian有you關guan
，譬pi如ru中zhong間jian換huan刀dao會hui在zai加jia工gong的de地di方fang留liu下xia痕hen跡ji，這zhe個ge地di方fang就jiu容rong易yi形xing成cheng積ji水shui。

燃料電池壽命評價技術

清(qing)華(hua)大(da)學(xue)試(shi)驗(yan)證(zheng)明(ming)駕(jia)駛(shi)循(xun)環(huan)下(xia)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)衰(shuai)減(jian)率(lv)可(ke)用(yong)四(si)個(ge)工(gong)況(kuang)下(xia)的(de)衰(shuai)減(jian)率(lv)疊(die)加(jia)表(biao)示(shi)
，基(ji)於(yu)數(shu)學(xue)推(tui)導(dao)給(gei)出(chu)了(le)基(ji)於(yu)實(shi)驗(yan)室(shi)測(ce)試(shi)和(he)道(dao)路(lu)運(yun)行(xing)工(gong)況(kuang)譜(pu)的(de)壽(shou)命(ming)預(yu)測(ce)公(gong)式(shi)。總(zong)試(shi)驗(yan)時(shi)間(jian)為(wei)200xiaoshizuoyou，ranhoujucituicechuranliaodianchizaicheshangdeshiyongshouming。zhexianggongzuodeyoushishi
，zaishiyanshijiukeyiduidianchishoumingjinxingyucehepingjia

，zaiqueshaoranliaodianchichedebiaozhunjiashixunhuanqingkuangxia，keyuceranliaodianchizaigezhongjiashixunhuanxiadeshiyongshouming。

現xian在zai，燃ran料liao電dian池chi汽qi車che還hai沒mei有you標biao準zhun的de駕jia駛shi循xun環huan。每mei輛liang車che裝zhuang多duo大da功gong率lv的de電dian池chi，其qi動dong力li構gou型xing是shi多duo裝zhuang燃ran料liao電dian池chi還hai是shi多duo裝zhuang蓄xu電dian池chi，沒mei有you一yi定ding的de標biao準zhun。這zhe也ye意yi味wei著zhe不bu同tong配pei型xing的de燃ran料liao電dian池chi在zai車che上shang的de輸shu出chu性xing能neng會hui不bu同tong，工gong況kuang變bian化hua和he變bian化hua頻pin率lv幅fu度du都dou會hui不bu一yi樣yang。另ling外wai，同tong樣yang一yi輛liang車che在zai不bu同tong時shi段duan
、butongluduanyunxing，jiashixunhuanyehuibutong。qinghuadaxuetongguozaishiyanshibaranliaodianchizaigegegongkuangxiadeshuaijianlvjisuanchulai



，ranhouzhongxinzuhechubutongdejiashixunhuan。bingjisuanbutongjiashixunhuanxiaranliaodianchideshoumingshiduoshao。

通過測試，清華大學的研究人員發現這種預測結果相當不錯。用同樣的燃料電池裝在車上計算衰減率和使用壽命，在一輛車上能跑2600小時，裝到另一輛車上跑1900小時。當然在實際測試中
，這些車都沒有跑那麼長時間
，因為隻試運行了一年，大約跑了1200小時就結束了。但是預測的性能衰減率與實際情況非常吻合。

動態閉環調控技術防止燃料電池水淹

清華大學的另一項研究是用動態閉環調控技術預防電堆故障，這是一種防止水淹的技術。

早(zao)些(xie)時(shi)候(hou)
，清(qing)華(hua)大(da)學(xue)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)發(fa)現(xian)氫(qing)氣(qi)壓(ya)力(li)降(jiang)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)水(shui)淹(yan)的(de)判(pan)定(ding)條(tiao)件(jian)
，並(bing)研(yan)究(jiu)出(chu)了(le)壓(ya)力(li)降(jiang)精(jing)確(que)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)。在(zai)正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，實(shi)測(ce)壓(ya)力(li)降(jiang)與(yu)公(gong)式(shi)吻(wen)合(he)，當(dang)出(chu)現(xian)水(shui)淹(yan)時(shi)，實(shi)測(ce)值(zhi)明(ming)顯(xian)偏(pian)離(li)公(gong)式(shi)計(ji)算(suan)值(zhi)。

這(zhe)個(ge)公(gong)式(shi)還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)雙(shuang)極(ji)板(ban)流(liu)場(chang)設(she)計(ji)中(zhong)。過(guo)去(qu)設(she)計(ji)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)流(liu)場(chang)所(suo)用(yong)的(de)壓(ya)力(li)降(jiang)經(jing)驗(yan)公(gong)式(shi)
，與(yu)實(shi)際(ji)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)中(zhong)的(de)壓(ya)力(li)降(jiang)差(cha)異(yi)較(jiao)大(da)，因(yin)為(wei)它(ta)沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)參(can)數(shu)。

有了這個公式以後，就可以判斷出什麼時候出現水淹現象，如果等壓力降到降到燃料電池已經被水堵死，再去解決故障就很難了。

qinghuadaxuetongguoshiyanyoufaxianranliaodianchicongchuxianshuiyan，daobeidusizhiqian

，yalijianghuiyouhenmingxiandepingtaixianxiang，erqiechixushijianhenchang。tongguogeiranliaodianchishezhikongzhichuang，keyizaifaxiantedingdiandeshihougankuaijinxingchuli，budengtajinrupingtaijiukeyijinxingtiaokong，henhaodifangzhiranliaodianchishuiyan。

基ji於yu這zhe樣yang的de理li念nian，清qing華hua大da學xue把ba動dong態tai閉bi環huan調tiao控kong技ji術shu做zuo成cheng了le一yi個ge專zhuan業ye軟ruan件jian和he控kong製zhi係xi統tong，可ke以yi實shi現xian燃ran料liao電dian池chi的de自zi動dong控kong製zhi，防fang止zhi燃ran料liao電dian池chi出chu現xian水shui淹yan。在zai實shi驗yan室shi的de測ce試shi過guo程cheng中zhong，曾zeng人ren為wei創chuang造zao水shui淹yan情qing況kuang
，通tong過guo運yun用yong這zhe個ge係xi統tong燃ran料liao電dian池chi很hen快kuai就jiu自zi動dong恢hui複fu到dao正zheng常chang了le。

同步檢測燃料電池堆多片膜電極的多參數

過guo去qu
，隻zhi能neng用yong線xian性xing電dian位wei掃sao描miao法fa和he循xun環huan伏fu安an法fa分fen別bie檢jian測ce單dan片pian膜mo電dian極ji的de各ge參can數shu，但dan是shi無wu法fa對dui電dian堆dui進jin行xing測ce試shi。如ru果guo對dui電dian堆dui使shi用yong循xun環huan伏fu安an法fa，很hen難nan保bao證zheng燃ran料liao電dian池chi的de電dian壓ya呈cheng線xian性xing上shang升sheng，因yin為wei每mei節jie電dian流liu都dou不bu一yi致zhi，會hui使shi得de電dian壓ya升sheng高gao率lv不bu一yi樣yang。

為了解決這個問題，清華大學研究出一套新技術——恒(heng)流(liu)充(chong)電(dian)解(jie)析(xi)法(fa)。在(zai)這(zhe)個(ge)堆(dui)上(shang)每(mei)節(jie)電(dian)流(liu)都(dou)一(yi)樣(yang)
，通(tong)過(guo)調(tiao)製(zhi)後(hou)，輸(shu)出(chu)來(lai)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)帶(dai)有(you)各(ge)節(jie)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)膜(mo)電(dian)極(ji)的(de)差(cha)異(yi)信(xin)息(xi)

，通(tong)過(guo)這(zhe)樣(yang)的(de)差(cha)異(yi)就(jiu)可(ke)以(yi)解(jie)析(xi)出(chu)各(ge)片(pian)膜(mo)電(dian)極(ji)的(de)內(nei)在(zai)差(cha)異(yi)
，得(de)出(chu)相(xiang)應(ying)的(de)參(can)數(shu)，包(bao)括(kuo)催(cui)化(hua)劑(ji)活(huo)性(xing)麵(mian)積(ji)

、氫滲透電流、雙(shuang)電(dian)層(ceng)電(dian)容(rong)和(he)阻(zu)抗(kang)。能(neng)一(yi)次(ci)把(ba)電(dian)堆(dui)每(mei)一(yi)節(jie)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)這(zhe)四(si)個(ge)參(can)數(shu)都(dou)得(de)到(dao)。測(ce)出(chu)來(lai)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)活(huo)性(xing)麵(mian)積(ji)，在(zai)不(bu)同(tong)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)下(xia)的(de)波(bo)動(dong)幅(fu)度(du)，比(bi)用(yong)循(xun)環(huan)伏(fu)安(an)法(fa)在(zai)不(bu)同(tong)掃(sao)描(miao)速(su)率(lv)下(xia)的(de)波(bo)動(dong)範(fan)圍(wei)小(xiao)得(de)多(duo)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)。可(ke)用(yong)於(yu)對(dui)電(dian)堆(dui)一(yi)致(zhi)性(xing)研(yan)究(jiu)、組堆環節的膜電極篩選、檢查電堆內是否有膜穿孔等。

高性能鋅空燃料電池

2013年12月29日，美國著名網站刊文“清華團隊開發出高功率密度鋅空燃料電池堆”，許多網站紛紛轉載。

為什麼國外對清華的進展這麼關注？鋅空燃料電池有許多優點
，但是國際上做出來的鋅空燃料電池功率密度一般都在每平方厘米100毫瓦以內，加拿大國家研究院用特種催化劑的情況下最高達到每平方厘米230毫瓦，而清華大學的研究團隊把這一數據提高到每平方厘米435毫瓦。研究成果發布後,最近又有同學把數值提升到450，可以說具有突破性。

以前清華大學的燃料電池公交車所使用的氫空燃料電池，功率密度是每平方厘米360毫瓦左右，而現在鋅空燃料電池的功率密度達到每平方厘米435毫瓦，說明它在未來有可能作為車用燃料電池。此外
，清華大學在探索研究高性能長壽命的鋅空電池。