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50千qian瓦wa燃ran料liao電dian池chi客ke車che從cong實shi驗yan室shi開kai出chu來lai。這zhe是shi中zhong國guo第di一yi輛liang燃ran料liao電dian池chi客ke車che，也ye第di一yi台tai氫qing空kong型xing燃ran料liao電dian池chi係xi統tong裝zhuang車che，是shi真zhen正zheng的de燃ran料liao電dian池chi發fa動dong機ji汽qi車che。在zai之zhi前qian清qing華hua大da學xue的de燃ran料liao電dian池chi車che上shang，都dou是shi用yong氧yang氣qi瓶ping供gong氣qi，燃ran料liao電dian池chi使shi用yong的de是shi純chun氧yang。

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zai50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
、tingtongyangzhantai
，bingtongyangyunxingyinianshijian，yiciduiranliaodianchidexingnengjinxingkaohe。yudaikedesanliangchexiangbi，qinghuadaxueranliaodianchiqichedeqingqixiaohaoliangmingxiandihenduo。daikedeqichebaigonglihaoqingliangyueweibaigongli16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)。

與(yu)國(guo)外(wai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)，我(wo)國(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(dui)內(nei)部(bu)一(yi)致(zhi)性(xing)較(jiao)差(cha)。國(guo)外(wai)先(xian)進(jin)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(dui)都(dou)是(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)上(shang)下(xia)來(lai)的(de)，一(yi)致(zhi)性(xing)較(jiao)好(hao)。而(er)國(guo)內(nei)的(de)生(sheng)產(chan)環(huan)節(jie)存(cun)在(zai)很(hen)多(duo)人(ren)為(wei)因(yin)素(su)，導(dao)致(zhi)結(jie)果(guo)不(bu)好(hao)控(kong)製(zhi)。為(wei)提(ti)高(gao)電(dian)堆(dui)一(yi)致(zhi)性(xing)，延(yan)長(chang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，裴(pei)普(pu)成(cheng)教(jiao)授(shou)領(ling)導(dao)的(de)研(yan)究(jiu)組(zu)開(kai)展(zhan)了(le)如(ru)下(xia)工(gong)作(zuo)。

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

qinghuadaxueshiyanzhengmingjiashixunhuanxiaranliaodianchixingnengshuaijianlvkeyongsigegongkuangxiadeshuaijianlvdiejiabiaoshi
，jiyushuxuetuidaogeichulejiyushiyanshiceshihedaoluyunxinggongkuangpudeshoumingyucegongshi。zongshiyanshijianwei200xiaoshizuoyou，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。

清(qing)華(hua)大(da)學(xue)通(tong)過(guo)試(shi)驗(yan)又(you)發(fa)現(xian)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)從(cong)出(chu)現(xian)水(shui)淹(yan)，到(dao)被(bei)堵(du)死(si)之(zhi)前(qian)，壓(ya)力(li)降(jiang)會(hui)有(you)很(hen)明(ming)顯(xian)的(de)平(ping)台(tai)現(xian)象(xiang)，而(er)且(qie)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)很(hen)長(chang)。通(tong)過(guo)給(gei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)設(she)置(zhi)控(kong)製(zhi)窗(chuang)，可(ke)以(yi)在(zai)發(fa)現(xian)特(te)定(ding)點(dian)的(de)時(shi)候(hou)趕(gan)快(kuai)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，不(bu)等(deng)它(ta)進(jin)入(ru)平(ping)台(tai)就(jiu)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)調(tiao)控(kong)，很(hen)好(hao)地(di)防(fang)止(zhi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)水(shui)淹(yan)。

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

guoqu
，zhinengyongxianxingdianweisaomiaofahexunhuanfuanfafenbiejiancedanpianmodianjidegecanshu
，danshiwufaduidianduijinxingceshi。ruguoduidianduishiyongxunhuanfuanfa，hennanbaozhengranliaodianchidedianyachengxianxingshangsheng，yinweimeijiedianliudoubuyizhi
，huishidedianyashenggaolvbuyiyang。

為了解決這個問題，清華大學研究出一套新技術——hengliuchongdianjiexifa。zaizhegeduishangmeijiedianliudouyiyang，tongguotiaozhihou，shuchulaidedianyahuidaiyougejieranliaodianchimodianjidechayixinxi
，tongguozheyangdechayijiukeyijiexichugepianmodianjideneizaichayi
，dechuxiangyingdecanshu

，baokuocuihuajihuoxingmianji
、氫滲透電流、shuangdiancengdianronghezukang。nengyicibadianduimeiyijieranliaodianchidezhesigecanshudoudedao。cechulaidecuihuajihuoxingmianji，zaibutongchongdiandianliuxiadebodongfudu，biyongxunhuanfuanfazaibutongsaomiaosulvxiadebodongfanweixiaodeduo，zhezhongfangfayoumingxiandeyoushi。keyongyuduidianduiyizhixingyanjiu
、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。