清華大學在燃料電池領域的研究

清華大學燃料電池客車

3月4日下午，中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)第12期儲能產業公益沙龍在中國科學院工程熱物理研究所舉行。會上，主講嘉賓清華大學汽車工程系裴普成教授就燃料電池技術及燃料電池應用問題與大家展開探討。作為清華大學教授，裴普成還為現場嘉賓展示了學校在燃料電池研究領域的科技成果。

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臺車上。2001年，清華大學用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年，國家科技部立項開展燃料電池客車和燃料電池轎車計劃，清華大學被確定為燃料電池客車的牽頭單位，同濟大學負責牽頭做燃料電池轎車。

2002年12月30日晚，清華大學的50千瓦燃料電池客車從實驗室開出來。這是中國第一輛燃料電池客車，也第一臺氫空型燃料電池系統裝車，是真正的燃料電池發動機汽車。在之前清華大學的燃料電池車上，都是用氧氣瓶供氣，燃料電池使用的是純氧。

2002年之後，清華大學曾逐年提升對燃料電池系統功率的要求，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噸的汽車，幾十千瓦的燃料電池就已經足夠使用，因為還有蓄電池組的儲能。現在，清華大學做的燃料電池客車基本使用的燃料電池功率在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、停同樣站臺，並同樣運行一年時間，以此對燃料電池的性能進行考核。與戴克的三輛車相比，清華大學燃料電池汽車的氫氣消耗量明顯低很多。戴克的汽車百公裡耗氫量約為百公裡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。它們經歷春夏秋冬、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個小時就不行了，在歐洲運行的使用壽命要好得多。在戴克的總結報告會上，令人印象深刻的結論是北京的空氣品質太差。因此中國燃料電池汽車的發展，環境因素增加了更大挑戰，也證明發展燃料電池車更有必要。

與國外燃料電池相比，我國燃料電池堆內部一致性較差。國外先進燃料電池堆都是生產線上下來的，一致性較好。而國內的生產環節存在很多人為因素，導致結果不好控制。為提高電堆一致性，延長燃料電池壽命，裴普成教授領導的研究組開展了如下工作。

雙極板批量製造技術

清華在FC耐久性方面做了很多努力，研究了雙極板批量製造技術。過去製作雙極板使用雕刻技術，購買板子然後雕刻加工，通常一張板子的原材料需要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。一方面可以降低成本，另一方面能保障雙極板的一致性。

此外，研究發現，電堆故障往往因為積水，與積水和加工缺陷有關，譬如中間換刀會在加工的地方留下痕跡，這個地方就容易形成積水。

燃料電池壽命評價技術

清華大學試驗證明駕駛循環下燃料電池性能衰減率可用四個工況下的衰減率疊加表示，基於數學推導給出了基於實驗室測試和道路運行工況譜的壽命預測公式。總試驗時間為200小時左右，然後據此推測出燃料電池在車上的使用壽命。這項工作的優勢是，在實驗室就可以對電池壽命進行預測和評價，在缺少燃料電池車的標準駕駛循環情況下，可預測燃料電池在各種駕駛循環下的使用壽命。

現在，燃料電池汽車還沒有標準的駕駛循環。每輛車裝多大功率的電池，其動力構型是多裝燃料電池還是多裝蓄電池，沒有一定的標準。這也意味著不同配型的燃料電池在車上的輸出性能會不同，工況變化和變化頻率幅度都會不一樣。另外，同樣一輛車在不同時段、不同路段運行，駕駛循環也會不同。清華大學通過在實驗室把燃料電池在各個工況下的衰減率計算出來，然後重新組合出不同的駕駛循環。並計算不同駕駛循環下燃料電池的壽命是多少。

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，因為只試運行了一年，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。

早些時候，清華大學的研究人員發現氫氣壓力降可以作為燃料電池水淹的判定條件，並研究出了壓力降精確計算公式。在正常情況下，實測壓力降與公式吻合，當出現水淹時，實測值明顯偏離公式計算值。

這個公式還可以用於燃料電池雙極板流場設計中。過去設計燃料電池流場所用的壓力降經驗公式，與實際燃料電池工作中的壓力降差異較大，因為它沒有電流參數。

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。

清華大學通過試驗又發現燃料電池從出現水淹，到被堵死之前，壓力降會有很明顯的平臺現象，而且持續時間很長。通過給燃料電池設置控制窗，可以在發現特定點的時候趕快進行處理，不等它進入平臺就可以進行調控，很好地防止燃料電池水淹。

基於這樣的理念，清華大學把動態閉環調控技術做成了一個專業軟體和控制系統，可以實現燃料電池的自動控制，防止燃料電池出現水淹。在實驗室的測試過程中，曾人為創造水淹情況，通過運用這個系統燃料電池很快就自動恢復到正常了。

同步檢測燃料電池堆多片膜電極的多參數

過去，只能用線性電位掃描法和循環伏安法分別檢測單片膜電極的各參數，但是無法對電堆進行測試。如果對電堆使用循環伏安法，很難保證燃料電池的電壓呈線性上升，因為每節電流都不一致，會使得電壓升高率不一樣。

為了解決這個問題，清華大學研究出一套新技術——恆流充電解析法。在這個堆上每節電流都一樣，通過調製後，輸出來的電壓會帶有各節燃料電池膜電極的差異信息，通過這樣的差異就可以解析出各片膜電極的內在差異，得出相應的參數，包括催化劑活性面積、氫滲透電流、雙電層電容和阻抗。能一次把電堆每一節燃料電池的這四個參數都得到。測出來的催化劑活性面積，在不同充電電流下的波動幅度，比用循環伏安法在不同掃描速率下的波動範圍小得多，這種方法有明顯的優勢。可用於對電堆一致性研究、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釐米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釐米230毫瓦，而清華大學的研究團隊把這一數據提高到每平方釐米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，功率密度是每平方釐米360毫瓦左右，而現在鋅空燃料電池的功率密度達到每平方釐米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。