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。2001nian，guojiakejibulixiangkaizhanranliaodianchikecheheranliaodianchijiaochejihua，qinghuadaxuebeiquedingweiranliaodianchikechedeqiantoudanwei
，tongjidaxuefuzeqiantouzuoranliaodianchijiaoche。

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13噸(dun)的(de)汽(qi)車(che)，幾(ji)十(shi)千(qian)瓦(wa)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)就(jiu)已(yi)經(jing)足(zu)夠(gou)使(shi)用(yong)，因(yin)為(wei)還(hai)有(you)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)儲(chu)能(neng)。現(xian)在(zai)，清(qing)華(hua)大(da)學(xue)做(zuo)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)客(ke)車(che)基(ji)本(ben)使(shi)用(yong)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)功(gong)率(lv)在(zai)50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(li)16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FCnaijiuxingfangmianzuolehenduonuli，yanjiuleshuangjibanpiliangzhizaojishu。guoquzhizuoshuangjibanshiyongdiaokejishu，goumaibanziranhoudiaokejiagong，tongchangyizhangbanzideyuancailiaoxuyao300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)200小xiao時shi左zuo右you，然ran後hou據ju此ci推tui測ce出chu燃ran料liao電dian池chi在zai車che上shang的de使shi用yong壽shou命ming。這zhe項xiang工gong作zuo的de優you勢shi是shi，在zai實shi驗yan室shi就jiu可ke以yi對dui電dian池chi壽shou命ming進jin行xing預yu測ce和he評ping價jia

，在zai缺que少shao燃ran料liao電dian池chi車che的de標biao準zhun駕jia駛shi循xun環huan情qing況kuang下xia，可ke預yu測ce燃ran料liao電dian池chi在zai各ge種zhong駕jia駛shi循xun環huan下xia的de使shi用yong壽shou命ming。

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。