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質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)， 是電動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力源。但燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCV)的商業(yè)化，必須解決基 于碳載鉗(Pt/C)催化劑FCV的高成本問(wèn)題。 自2009年美國(guó)科學(xué)家在Science雜志報(bào)道氮參雜碳納米管(NC)具有潛在 的氧還原(0RR)催化活性以來(lái)，化學(xué)家與材料科學(xué)家一直在探尋如何進(jìn)一步 提高NC材料的0RR催化活性的方法，以代替目前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中的Pt/C催化劑。因此，我們的研究團(tuán)隊(duì)基于氮參雜石墨烯(NG)材料，在國(guó)際上首次通過(guò) “NG分子結(jié)構(gòu)一NG電導(dǎo)率一0RR催化活性”的關(guān)聯(lián)，找到了該科學(xué)難題的突破 點(diǎn).我們?cè)诜肿咏Y(jié)構(gòu)模擬的基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)到三種氮參雜NG材料中，既唳型和既 咯型具有二維平面結(jié)構(gòu)，使NG保持了石墨烯原有的平面共輾大兀鍵結(jié)構(gòu)，具 有良好的導(dǎo)電性，因而具有優(yōu)異的0RR催化活性；而丁基型NG為三維空間不 平整結(jié)構(gòu)，破壞了石墨烯原有的二維平面共巍大e鍵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性差，因而0RR 催化活性低。因此，有效的氮參雜應(yīng)以唬唳型和唬咯型為主，盡可能減少甚至 杜絕丁基型NG的形成。我們利用層狀材料(LM)的層間限域效應(yīng)，通過(guò)調(diào)制LM 層間距，在LM層間插入苯胺單體，層間聚合，然后熱解的方法，獲得平面氮參雜 達(dá)90%以上的NG材料。其催化0RR的半波電位僅比Pt/C催化劑落后60mV,是傳 統(tǒng)方法下獲得的NG材料0RR催化活性的54倍，以該材料為正極催化劑的質(zhì)子 交換膜燃料電池的輸出功率達(dá)580mW/cm ,與Pt/C催化劑的0RR活性處于同一 個(gè)數(shù)量級(jí)，為世界領(lǐng)先水平。我們開(kāi)發(fā)的此類(lèi)新型NG材料已經(jīng)具備了在燃料 電池發(fā)動(dòng)機(jī)中完全替代Pt/C催化劑的可能性。LM層間近乎封閉的扁平反應(yīng)空間 不僅克服了傳統(tǒng)開(kāi)放體系下合成的NG以丁基型為主，導(dǎo)電性差，活性低的弊病， 而且也克服了開(kāi)放體系下因摻N效率低而導(dǎo)致合成NG成本高的問(wèn)題。該研究成 果意味著，長(zhǎng)期困擾燃料電池實(shí)用化的高成本問(wèn)題將不再是瓶頸問(wèn)題。

能源危機(jī)與環(huán)境污染已成為限制當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的兩個(gè)問(wèn)題，而解決能源危機(jī)與環(huán)境污染的主要手段就是大力發(fā)展新能源技術(shù)。新能源技術(shù)中的燃料電池技術(shù)以其環(huán)境污染少，發(fā)電效率高而得到人們?cè)絹?lái)越多的重視。在燃料電池中，燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率不受卡洛循環(huán)限制。目前最具有應(yīng)用前景的是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和固體氧化物燃料電池技術(shù)。燃料電池技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在與新材料的開(kāi)發(fā)，基于材料的優(yōu)化得到更好的燃料電池產(chǎn)電輸出性能。我們基于固態(tài)離子理論，設(shè)計(jì)了一系列燃料電池電極新材料及新結(jié)構(gòu)，以提高電池輸出性能為目的，開(kāi)發(fā)了一系列高性能的陽(yáng)極功能材料，陰極層材料與新結(jié)構(gòu)，并取得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng)，目前已有9項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利獲得授權(quán)，在國(guó)際上發(fā)表大量學(xué)術(shù)論文。在質(zhì)子交換膜燃料電池制備方面，我們開(kāi)發(fā)了低成本的熱噴涂法制備質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)，并取得中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利的授權(quán)，獲取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并得到應(yīng)用，成功制備了50-1000 W的質(zhì)子交換膜燃料電池電池堆，并改造后應(yīng)用于便攜式電源設(shè)計(jì)與分散發(fā)電。結(jié)合使用儲(chǔ)氫材料罐，可得到一套車(chē)用發(fā)電系統(tǒng)；在固體氧化物燃料電池單電池制備方面，我們開(kāi)發(fā)了一套基于陽(yáng)極基底流延制備、電解質(zhì)與陰極層噴涂制備共燒結(jié)的單電池制備工藝，并用于制備大面積的平板固體氧化物燃料電池，并組裝了平板電池堆，得到的單電池性能優(yōu)越。在前期科技部863項(xiàng)目的資助下，我們開(kāi)發(fā)了一系列陽(yáng)極功能層材料，用于以甲烷、煤層氣以及生物質(zhì)氣為燃料的固體氧化物燃料電池發(fā)電，得到了較好的發(fā)電穩(wěn)定性和溫度適應(yīng)性。目前，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了便攜式的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置，可用于便攜式供電與不間斷電源；在前期大量的工作基礎(chǔ)上，我們還開(kāi)發(fā)了完備的固體氧化物燃料電池材料生產(chǎn)技術(shù)和固體氧化物燃料電池單電池制備技術(shù)，將可以為將來(lái)的燃料電池產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。●應(yīng)用前景： 目前燃料電池技術(shù)應(yīng)用的最大障礙在于其高成本、低穩(wěn)定性，隨著人們對(duì)新能源技術(shù)進(jìn)步的要求不斷提高和燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，燃料電池技術(shù)應(yīng)用的市場(chǎng)將越來(lái)越大。目前燃料電池的低成本制備在新材料開(kāi)發(fā)的促進(jìn)下，取得了較大進(jìn)展，燃料電池技術(shù)商業(yè)化示范運(yùn)行目前已在美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家開(kāi)展，技術(shù)成熟之后在世界范圍內(nèi)將會(huì)有更大的市場(chǎng)前景。

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，電子與信息技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，各類(lèi)微小型便攜式電子產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼影像設(shè)備等相繼涌現(xiàn)出來(lái)，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。但是電子產(chǎn)品升級(jí)換代的加快和產(chǎn)品功能的日趨多樣化，對(duì)現(xiàn)有微電源系統(tǒng)（鋰離子電池、鎳氫電池等）性能提出越來(lái)越高的要求，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的電源供需矛盾日益突出，形成所謂的“能量鴻溝”（ Power Gap ）。發(fā)展新的高比能電源系統(tǒng)已不可避免地成為突破下一代便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展瓶頸的緊迫任務(wù)。基于微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS ）技術(shù)的燃料電池微電源系統(tǒng)，因具有高比能、高效率、清潔環(huán)保、使用方便等突出優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注。其理論能量密度為現(xiàn)有鋰離子電池 10 倍以上、能量效率可達(dá) 60~70% 、工作過(guò)程零排放、可瞬間完成燃料加注，是面向便攜式電子產(chǎn)品的新一代理想替代電源。

直接甲醇燃料電池（DMFC）由于使用液體甲醇作燃料，電池安全，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，具有很廣闊的商業(yè)化前景。從目前的技術(shù)水平看，DMFC的功率密度比氫氧燃料電池低，因此這類(lèi)電池更適用于小型電器中，如移動(dòng)電話、筆記本電腦等。美國(guó)能源部認(rèn)為用于發(fā)電站和電動(dòng)汽車(chē)的大型燃料電池，商品化制造成本一定要低于$500/kW，而對(duì)應(yīng)用于電子產(chǎn)品中的小型燃料電池，其制造成本可允許高達(dá)$2000/kW。與二次電池相比，微型或小型DMFC主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)提供電能；（b）充加燃料方便，它可避免二次電池充電時(shí)間長(zhǎng)、電池記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命短等不便；（c）無(wú)污染、回收處理方便。北京科技大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部和國(guó)家863計(jì)劃支持下，開(kāi)展了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的研究開(kāi)發(fā)工作：（1）Pt基非貴金屬多元合金、Pt基過(guò)渡金屬或稀土金屬氧化物催化劑；(2)甲醇溶液中穩(wěn)定的輕質(zhì)雙極板等材料；(3)催化劑碳載體材料；（4）膜電極及直接醇類(lèi)燃料電池組樣機(jī)。

復(fù)合垃圾衍生燃料制造技術(shù)是開(kāi)發(fā)低成本、高固硫率和防潮抗水型，適用于工業(yè)鍋爐燃用的復(fù)合垃圾衍生燃料，可以適量加入粘結(jié)劑或根據(jù)生物質(zhì)具體性能對(duì)其進(jìn)行生物化學(xué)預(yù)處理以適當(dāng)提高其粘結(jié)力；可將復(fù)合垃圾衍生燃料的灰分、水分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、燃料比、粒徑大小、焦渣特性、熱變形特性等調(diào)整到有利于燃燒的最佳值，大幅度降低生產(chǎn)成本，使之發(fā)展成先進(jìn)的高效清潔燃料。 該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是制備出適合我國(guó)現(xiàn)有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。RDF制備過(guò)程中摻入一定量的煤，不僅有利于提高熱值，均勻分配物料，同時(shí)還可以起到助粘的作用；同時(shí)，壓制成型塊燃料，使其具有統(tǒng)一形狀和規(guī)格，易實(shí)現(xiàn)成型時(shí)添加固硫、脫氯劑及催化劑等，再配套合適的燃燒設(shè)備，既有利于高效燃燒又能減少污染。該處理方式，可為國(guó)內(nèi)垃圾提供一條新型資源化解決途徑，這樣既節(jié)省了處理垃圾的處理費(fèi)和供熱燃料費(fèi)，又減少了固體廢棄物。 本研究利用生物質(zhì)型煤生產(chǎn)工藝來(lái)進(jìn)行了C-RDF成型制備研究。復(fù)合垃圾衍生燃料爐前成型是指直接使用煤場(chǎng)的動(dòng)力配煤，在不添加或添加少量粘結(jié)劑的條件下，由置于鍋爐旁的成型機(jī)成型后直接下落到爐排上，供鍋爐燃用。 垃圾衍生燃料成型工藝主要分為三個(gè)工序，即原料制備、攪拌成型和固結(jié)干燥。3個(gè)環(huán)節(jié)中重點(diǎn)在于原料制備環(huán)節(jié)。 垃圾衍生燃料之所以能在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中取得較散煤好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，是由于燃料個(gè)體形狀規(guī)格，使垃圾衍生燃料層具有均勻分布的空隙率，且其單個(gè)空隙容積較大，有利于可燃?xì)怏w的反應(yīng)。燃料層的空隙率大則通風(fēng)阻力小，有助于降低風(fēng)機(jī)電耗和結(jié)渣程度。 應(yīng)用范圍： 適合我國(guó)現(xiàn)有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。

主要研究?jī)?nèi)容 1、甲醇陽(yáng)極與氧陰極催化劑研究。 2、固體高分子膜防透醇研究。 3、三合一膜電極制備技術(shù)研究。 4、單體電池的設(shè)計(jì)與性能研究。 5、電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與8W樣機(jī)研制。技術(shù)指標(biāo) 陽(yáng)極鉑載量≤3mg/cm2，陰極鉑載量≤1mg/cm2；80℃，單體電池比功率≥80mW/cm2；30℃，陰極為常壓空氣，單體電池比功率≥12mW/cm2；8W樣機(jī)正常運(yùn)行40h。產(chǎn)業(yè)化前景

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可廣泛應(yīng)用于無(wú)人飛機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)增程器，該項(xiàng)目以天然氣、汽油和柴油等多種燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，聚焦缸內(nèi)工作過(guò)程，致力于揭示流動(dòng)和燃燒過(guò)程的發(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)混合氣的濃度分布、點(diǎn)火和燃燒的有效控制，以達(dá)到高效清潔燃燒的目的。目前已經(jīng)取得的進(jìn)展包括：國(guó)內(nèi)率先建立了光學(xué)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)計(jì)算模型；國(guó)內(nèi)率先完成了缸內(nèi)流場(chǎng)的PIV（Particle Image Velocimetry）測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了缸內(nèi)渦流的存在并解釋了其產(chǎn)生的原因；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作總結(jié)出了轉(zhuǎn)子

乙醇回收滲透汽化膜是由無(wú)機(jī)材料經(jīng)過(guò)高溫?zé)浦苽涠傻幕橹螌樱谥螌颖砻娼?jīng)過(guò)特殊制備工藝制備而成的致密膜為分離層的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的管式復(fù)合膜，膜表面平整無(wú)缺陷，膜層厚度均勻；分離膜與基膜結(jié)合完好，具有抗污能強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以用來(lái)富集低濃度的含醇溶液的富集。主要應(yīng)用方向有：燃料乙醇發(fā)酵液、丁醇發(fā)酵液、低濃度含醇溶液中的醇類(lèi)物質(zhì)的富集。

1 成果簡(jiǎn)介 鋅-空氣燃料電池作為一種新型的燃料電池系統(tǒng)，用鋅作能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。鋅-空氣燃料電池具有如下特點(diǎn)： 與一般氫空氣燃料電池比，成本低，不需要貴金屬做催化劑； 與一般蓄電池比，不需要充電，可像加油一樣快速補(bǔ)料； 與燃油內(nèi)燃機(jī)比，燃料可再生，鋅發(fā)電后變?yōu)檠趸\可通過(guò)電解得以還原； 環(huán)保安全，放進(jìn)火里也不燃燒。 本研究組已研究開(kāi)發(fā)出 200 瓦的 5 節(jié)燃料電池堆，其電流密度指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。利用該技術(shù)方案，依據(jù)功率需求可開(kāi)發(fā)大小不等的鋅-空氣燃料電池系統(tǒng)。為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，接下來(lái)需要做的工作是設(shè)計(jì)產(chǎn)品構(gòu)型、完善整體集成。 2013_8_1 上圖 用于方案驗(yàn)證的鋅-空氣燃料電池系統(tǒng) 2 應(yīng)用說(shuō)明 鋅-空氣燃料電池可做軍用電源，具有補(bǔ)充能量快、安全的優(yōu)勢(shì)；可配合風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的大型儲(chǔ)能-發(fā)電裝置，為電網(wǎng)調(diào)峰補(bǔ)谷，具有安全、成本低優(yōu)勢(shì)；可作為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電源，具有安全、價(jià)廉、不需要充電、續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。 3 效益分析 量產(chǎn)的鋅-空氣燃料電池系統(tǒng)，制造成本與鉛酸蓄電池相當(dāng)，而使用壽命更長(zhǎng)。 4 合作方式 聯(lián)合開(kāi)發(fā)。