01. 成果简介 近年来，随着氢能利用技术发展逐渐成熟，应对气候变化压力持续增大，以及氢能市场前景巨大，氢能在世界范围内备受关注，世界发达国家均将氢能及综合应用作为未来能源发展的重点方向之一。燃料电池汽车融合了内燃机汽车和纯电动汽车的优点，不仅具有零排放、高效与高功率密度的优势，而且续驶里程足够长，被业界公认为是新能源汽车的发展趋势。经过北京奥运会23辆、上海世博会的196辆燃料电池汽车的批量示范验证和多轮技术迭代优化，燃料电池汽车开始进入交通运输领域的主战场，从2013年开始，欧、美、日、韩的燃料电池汽车相继上市销售。与国外发展路径不同，我国从燃料电池商用车切入推进氢能在交通领域的应用，氢燃料电池商用车已实现小批量生产并在上海、北京、河北、广东等地示范运营。氢能行业迎来了产品孕育的发展机遇。 膜电极作为燃料电池发动机的核心部件，代表企业如美国GORE公司、英国Johnson Matthey公司。本项成果提供了一种制备膜电极的技术，创新点为：1）采用“热定型法”工艺制备催化层，优化电化学三相界面和促进多相传质，解决了传统膜电极性能低、寿命短瓶颈问题；2）发明了将质子交换膜和催化层封装在气体扩散层内的一体化膜电极产品，提升了燃料电池的一致性和可靠性,并提高了电堆生产效率。该项成果已应用于示范项目，应用情况良好。性能指标：1）面电导: >40S/cm22）拉伸强度: >35MPa3）H2渗透率:<2mA/cm24）0.6V@2.5A/cm2 (测试条件：1.5atm,70℃,空气计量数2.3,湿度80%)5）寿命:20000小时（加速老化法,10%性能衰减）02. 应用前景 燃料电池03. 知识产权 本项成果已申请专利22项。04. 团队介绍 团队在燃料电池应用研究方面已有超过20年的技术积累，在技术开发和成果转化过程中，先后获得“第十九届全国发明展览会发明奖”金奖、北京市第三届发明专利奖一等奖、“清华大学科研成果推广应用效益奖”二等奖、“第十届国际发明展览会发明奖”金奖、湖北省技术发明奖等多项奖励。负责人为副教授、博士生导师，累计在多个国际权威期刊上发表SCI论文96多篇，申请发明专利60余项。05. 合作方式 技术许可。06.联系方式 lijiaoli2016@tsinghua.edu.cn wangcheng@tsinghua.edu.cn

节能和环保是绿色社会的主要议题，发展取代化石燃料的新能源技术迫在眉睫。锌-空气电池是一种化学能转换为电能的装置，由于其理论能量密度高、安全性高、价格低廉以及环保等优势有望弥补锂离子电池的缺陷而成为下一代新能源电池。柔性可穿戴电子器件是5G时代先进制造业的重点研究方向，尤其是便携式电子产品正朝着超薄、集成、灵活的可穿戴设备方向发展。作为一个新兴领域，柔性锌-空气电池符合可穿戴电子设备的要求，发展潜力巨大。 柔性电池是一个复杂的系统，柔性锌空气电池的容量和能量密度等关键参数很大程度上取决于催化剂和正极材料。团队瞄准电池正极材料这一难题，积极自主研发，致力于发展具有完全自主知识产权的下一代新型高容量柔性锌空气电池。目前，团队制备的高容量/耐低温柔性锌空气电池可用于穿戴的智能电子产品，病人植入式监测、追踪和定位的医疗器械、物联网智能标签、环境传感器、助听器等等。

1 成果简介作为一种清洁、高效的能量转换装置， 燃料电池是各种电化学电池体系中的理论比能量“ 绝对冠军”， 而且功率密度高、电流密度大， 是最先进的能量转换技术之一。燃料电池在发电过程中，除了提供电能以外，还会产生废热。所以传统燃料电池电堆中，单片燃料电池之间通常设有冷却板，需要采用大流量的空气或者冷却水来为燃料电池散热。而燃料电池工作时需要氢气作为燃料，如果以储氢合金作为氢源，则储氢合金在释放氢气时会吸收热量。 本成果将燃料电池与储氢单元进行结构的耦合，可利用储氢合金来部分吸收燃料电池发电时产生的废热，既解决了燃料电池水管理和热管理的难题，又能解决储氢单元放氢稳定性的问题，还能降低燃料电池系统寄生功率，提高系统的功率密度和能量密度。表 1 中列出了耦合型燃料电池的性能参数。本成果耦合型质子交换膜燃料电池解决了质子交换膜燃料电池的水热管理问题，能够使燃料电池系统结构更加紧凑，能量密度和功率密度更高。 上图 耦合燃料电池的内部结构及外部结构图2 应用说明经过近十年来的电动汽车、分布式电站、电源等领域的广泛示范应用（燃料电池已经在航天、军事上得到应用，燃料电池家用电源已经在日本产业化），质子交换膜燃料电池技术的成熟度已经逐渐被用户所接受。目前，其商业化主要问题是价格较高（采用进口材料成本昂贵），而本项目利用国产原材料制备燃料电池电源，燃料电池材料供应不仅有安全保障，而且还有低成本优势，可望克服燃料电池高成本的商业化障碍。3 效益分析由于目前国内外尚无同类产品，而且各行各业对新型电源的需求比较迫切，因此本成果具有较大的推广空间。 如批量生产， 本电源价格每台约 1500 元/千瓦。 来自政府的资金补助以及军事、工业、新能源等应用领域的直接采购是使燃料电池电源商业化逐渐兴盛的主因。据美国市场研究机构 Pike Research 估计， 2016 年市场上的主力燃料电池产品功率将在 100W~2kW 之间，用于替代部分铅酸电池和柴汽油发电机，主要应用于船舶、 专用车、无人载具、 战场支持系统、 备用电源、 应急电源等。

1 成果简介燃料电池应用于军事、汽车、移动设备和家庭等领域。对于新生产的燃料电池堆，或在用的燃料电池堆，常需要了解电池堆内各节燃料电池的一致性和膜电极情况，但是国内外一直缺少检测燃料电池堆膜电极的技术和测量装置。 课题组研究出一种可方便检测燃料电池堆膜电极状况参数的方法和仪器。该测量仪具有如下功能和特点：可同步测量膜电极的催化剂有效活性面积、双电层电容、氢渗透电流和阻抗；数据自动采样，结果自动处理；可用于测量燃料电池单体和燃料电池堆，解决了以往即使检测燃料电池单体膜电极也需要多台测试仪器的问题，填补了燃料电池堆膜电极检测仪器的空白。测量仪可用于科研中对燃料电池内部不一致性的检查和原因辨析，可用于对各种场合的燃料电池堆进行现场检查和老化诊断，可用作燃料电池堆初装过程中的成组选配检测工具。查新表明，国内外目前尚未发现有相似原理的仪器，具有较大的推广使用空间。测量仪包括硬件部分和软件部分。研究组已开发出测量仪的初级版，参见下图。初级版的测试软件基于 Labview 编写，界面简单易操作，通过配合电脑完成测量。研究组现在正进行开发测量仪器的升级版，期望其能够脱离电脑单独测量，更美观，更实用。  上图 初级版电池堆膜电极检测仪2 应用说明研究组应用该方法和测量仪进行了多次测量和研究，成果在国际国内会议的宣传推广中得到了许多同行的好评，并表示有购买意向。

燃料电池催化剂是燃料电池最重要的材料，其性能的好坏对燃料电池性能有决定性的影响。针对目前广泛使用的 Pt/C 类燃料电池 存在的耐久性不足、缺乏抗反极功能等问题，本团队研发了一种具有良好性能的燃料电池催化剂，具有以下技术优势：（1）催化活性可完全媲美目前国际品牌的优秀催化剂；（2）耐久性可达商品催化剂的 3-4 倍，可达到美国能源部对燃料电池催化剂的耐久性要求；（3）具有优秀的抗反极性能，其抗反极时间可比目前的商品催化剂延长 3 倍左右。（4）成本仅为目前市场上燃料电池催化剂的 40%左右。 

应急备用电源、便携式动力电源市场。高活性高稳定性廉价催化剂与先进制膜工艺相结合，克服了传统电池低功率密度，低寿命的问题。组装的电池具有高功率密度， 高比能量和机械式快速换电的优势，在能量密度上远超锂离子电池、铅酸电池，有望应用于便携式动力电源和应急备用市场。 

空气压缩机为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气。将空气压缩到一定压 力（通常在 1.3~3.2bar 范围内），有助于提高电堆的功率密度，是燃料电池汽 车降低成本、实现轻量化的重要技术手段。为了满足燃料电池最高功率，空气压 缩机应保证足够的流量，根据估算，100 kW 的电堆功率大约需要 300 Nm3·h-1 的空气。除了保证一定的压力和流量外，燃料电池车用空气压缩机还需要满足其 他要求，包括压缩气体绝对无油，以防止催化剂中毒；压缩效率高，减少压缩气 体需要的额外能耗；能对启停、加速、刹车、制冷、供热等各种工况变化做出准 确、快速响应，具有良好的工况适应性；在极端工况和气候条件下，具有良好的 可靠性和长久的寿命，且维护简便；结构紧凑，体积小，重量轻。对效率、可靠 性、工况与环境的适应性、体积与重量等指标的综合要求，特别是对压缩气体绝 对无油的严格限制，使得燃料电池车用空气压缩机的产品研发及其产业化存在不 可忽视的技术挑战。

成果与项目的背景及主要用途： 流场板（双极板）是质子交换膜燃料电池中的重要部件。目前，质子交换膜 燃料电池广泛采用的流场板（双极板）主要有机加工硬质石墨板、机加工金属板 和注塑碳-塑复合材料双极板三种类型。这三类流场板各有显著的优点，但是各 自的缺点也较突出。 为实现燃料电池商品化，需要更低成本和更适应批量化生产的流场板。为此， 我们开发了基于天然鳞片石墨材料和模压成型工艺的复合石墨流场板技术。经过 努力研究，现在形成的技术可以大幅度降低流场板的材料成本和加工成本，实现 高生产率，同时使导电率（>10S/cm）、氢气透过系数（<1×10-4 cm3 /s.cm2）、 热传导系数（>20W/m.K）以及抗压强度（>10MPa）等指标均满足双极板材料性 能的要求。 复合石墨流场板的主要用途是作为质子交换膜燃料电池的双极板。 技术原理与工艺流程简介： 92天津大学科技成果选编 技术原理： 复合石墨流场板主要由天然鳞片石墨和聚合物组成。天然鳞片石墨具有良好 的导电和导热性能，且化学稳定性好，耐腐蚀，从而保证复合流场板具有良好的 导电及导热性能。聚合物的添加可以提高复合流场板的强度，并且使复合板阻气 性能得到改善，以实现双极板分隔氧化剂和还原剂的功能和满足燃料电池堆对双 极板机械性能的要求。 工艺流程：配料→装料→升温→模压→降温→脱模→成品 技术水平及专利与获奖情况： 目前已开发和制备出工作面积为 100mm×100mm 的流场板。并可根据需要 加工具有不同尺寸和流场形式的流场板。 应用前景分析及效益预测： 随着能源的消耗持续增长，能源短缺问题日益凸现。燃料电池的发展必然受 到越来越广泛的重视。质子交换膜燃料电池是目前应用前景最广且发展最快的一 类燃料电池。随着质子交换膜燃料电池的发展和普遍应用，复合石墨流场板因价 格低和适应批量生产的优势显示出巨大的市场潜力和经济竞争力。 应用领域：质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池及其它电化学反应器。 合作方式及条件：面议

成果简介硫-氧固体氧化物燃料电池是以硫蒸气取代传统氢-氧固体氧化物燃料中的氢气为燃料， 以三氧化硫气体为反应产物的一类新型固体氧化物燃料电池。 该电池堆主要应用于硫酸生产， 可取代硫酸厂现有的绝大部分生产设备， 是工业化生产硫酸的合成器和化学能源发电器， 彻底消除了制酸尾气， 实现硫酸生产、 化学发电和环境保护三位一体的组合。成熟程度和所需建设条件已完成 2kW 电池堆试制。技术指标电池的工作温度为 800℃， 以硫磺蒸汽为燃料最