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質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉換效率高和環境友好等優點， 是電動汽車的理想動力源。但燃料電池電動汽車(FCV)的商業化，必須解決基 于碳載鉗(Pt/C)催化劑FCV的高成本問題。 自2009年美國科學家在Science雜志報道氮參雜碳納米管(NC)具有潛在 的氧還原(0RR)催化活性以來，化學家與材料科學家一直在探尋如何進一步 提高NC材料的0RR催化活性的方法，以代替目前燃料電池發動機中的Pt/C催化劑。因此，我們的研究團隊基于氮參雜石墨烯(NG)材料，在國際上首次通過 “NG分子結構一NG電導率一0RR催化活性”的關聯，找到了該科學難題的突破 點.我們在分子結構模擬的基礎上，認識到三種氮參雜NG材料中，既唳型和既 咯型具有二維平面結構，使NG保持了石墨烯原有的平面共輾大兀鍵結構，具 有良好的導電性，因而具有優異的0RR催化活性；而丁基型NG為三維空間不 平整結構，破壞了石墨烯原有的二維平面共巍大e鍵結構，導電性差，因而0RR 催化活性低。因此，有效的氮參雜應以唬唳型和?？┬蜑橹鳎M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，通過調制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子 交換膜燃料電池的輸出功率達580mW/cm ,與Pt/C催化劑的0RR活性處于同一 個數量級，為世界領先水平。我們開發的此類新型NG材料已經具備了在燃料 電池發動機中完全替代Pt/C催化劑的可能性。LM層間近乎封閉的扁平反應空間 不僅克服了傳統開放體系下合成的NG以丁基型為主，導電性差，活性低的弊病， 而且也克服了開放體系下因摻N效率低而導致合成NG成本高的問題。該研究成 果意味著，長期困擾燃料電池實用化的高成本問題將不再是瓶頸問題。

能源危機與環境污染已成為限制當今人類社會發展的兩個問題，而解決能源危機與環境污染的主要手段就是大力發展新能源技術。新能源技術中的燃料電池技術以其環境污染少，發電效率高而得到人們越來越多的重視。在燃料電池中，燃料中的化學能直接轉化為電能，發電效率不受卡洛循環限制。目前最具有應用前景的是質子交換膜燃料電池技術和固體氧化物燃料電池技術。燃料電池技術應用的關鍵在與新材料的開發，基于材料的優化得到更好的燃料電池產電輸出性能。我們基于固態離子理論，設計了一系列燃料電池電極新材料及新結構，以提高電池輸出性能為目的，開發了一系列高性能的陽極功能材料，陰極層材料與新結構，并取得自主知識產權，申請發明專利多項，目前已有9項相關專利獲得授權，在國際上發表大量學術論文。在質子交換膜燃料電池制備方面，我們開發了低成本的熱噴涂法制備質子交換膜燃料電池的技術，并取得中國發明專利的授權，獲取自主知識產權，并得到應用，成功制備了50-1000 W的質子交換膜燃料電池電池堆，并改造后應用于便攜式電源設計與分散發電。結合使用儲氫材料罐，可得到一套車用發電系統；在固體氧化物燃料電池單電池制備方面，我們開發了一套基于陽極基底流延制備、電解質與陰極層噴涂制備共燒結的單電池制備工藝，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越。在前期科技部863項目的資助下，我們開發了一系列陽極功能層材料，用于以甲烷、煤層氣以及生物質氣為燃料的固體氧化物燃料電池發電，得到了較好的發電穩定性和溫度適應性。目前，我們已經開發了便攜式的質子交換膜燃料電池發電裝置，可用于便攜式供電與不間斷電源；在前期大量的工作基礎上，我們還開發了完備的固體氧化物燃料電池材料生產技術和固體氧化物燃料電池單電池制備技術，將可以為將來的燃料電池產業化與商業應用提供基礎?！駪们熬埃?nbsp;目前燃料電池技術應用的最大障礙在于其高成本、低穩定性，隨著人們對新能源技術進步的要求不斷提高和燃料電池技術的進步，燃料電池技術應用的市場將越來越大。目前燃料電池的低成本制備在新材料開發的促進下，取得了較大進展，燃料電池技術商業化示范運行目前已在美國、日本、德國等國家開展，技術成熟之后在世界范圍內將會有更大的市場前景。

進入 21 世紀以來，電子與信息技術獲得了飛速發展，各類微小型便攜式電子產品如手機、筆記本電腦、數碼影像設備等相繼涌現出來，給人們的生活帶來了極大的便利。但是電子產品升級換代的加快和產品功能的日趨多樣化，對現有微電源系統（鋰離子電池、鎳氫電池等）性能提出越來越高的要求，電子產品設計中的電源供需矛盾日益突出，形成所謂的“能量鴻溝”（ Power Gap ）。發展新的高比能電源系統已不可避免地成為突破下一代便攜式電子產品發展瓶頸的緊迫任務?；谖C電系統（ MEMS ）技術的燃料電池微電源系統，因具有高比能、高效率、清潔環保、使用方便等突出優點而廣受關注。其理論能量密度為現有鋰離子電池 10 倍以上、能量效率可達 60~70% 、工作過程零排放、可瞬間完成燃料加注，是面向便攜式電子產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，系統簡單，運行方便，具有很廣闊的商業化前景。從目前的技術水平看，DMFC的功率密度比氫氧燃料電池低，因此這類電池更適用于小型電器中，如移動電話、筆記本電腦等。美國能源部認為用于發電站和電動汽車的大型燃料電池，商品化制造成本一定要低于$500/kW，而對應用于電子產品中的小型燃料電池，其制造成本可允許高達$2000/kW。與二次電池相比，微型或小型DMFC主要具有以下優點：（a）長時間連續提供電能；（b）充加燃料方便，它可避免二次電池充電時間長、電池記憶效應、循環壽命短等不便；（c）無污染、回收處理方便。北京科技大學在國家自然科學基金委、教育部和國家863計劃支持下，開展了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的研究開發工作：（1）Pt基非貴金屬多元合金、Pt基過渡金屬或稀土金屬氧化物催化劑；(2)甲醇溶液中穩定的輕質雙極板等材料；(3)催化劑碳載體材料；（4）膜電極及直接醇類燃料電池組樣機。

復合垃圾衍生燃料制造技術是開發低成本、高固硫率和防潮抗水型，適用于工業鍋爐燃用的復合垃圾衍生燃料，可以適量加入粘結劑或根據生物質具體性能對其進行生物化學預處理以適當提高其粘結力；可將復合垃圾衍生燃料的灰分、水分、揮發分、發熱量、燃料比、粒徑大小、焦渣特性、熱變形特性等調整到有利于燃燒的最佳值，大幅度降低生產成本，使之發展成先進的高效清潔燃料。 該工藝的關鍵環節之一，是制備出適合我國現有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。RDF制備過程中摻入一定量的煤，不僅有利于提高熱值，均勻分配物料，同時還可以起到助粘的作用；同時，壓制成型塊燃料，使其具有統一形狀和規格，易實現成型時添加固硫、脫氯劑及催化劑等，再配套合適的燃燒設備，既有利于高效燃燒又能減少污染。該處理方式，可為國內垃圾提供一條新型資源化解決途徑，這樣既節省了處理垃圾的處理費和供熱燃料費，又減少了固體廢棄物。 本研究利用生物質型煤生產工藝來進行了C-RDF成型制備研究。復合垃圾衍生燃料爐前成型是指直接使用煤場的動力配煤，在不添加或添加少量粘結劑的條件下，由置于鍋爐旁的成型機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工序，即原料制備、攪拌成型和固結干燥。3個環節中重點在于原料制備環節。 垃圾衍生燃料之所以能在爐內燃燒過程中取得較散煤好的經濟和環境效益，是由于燃料個體形狀規格，使垃圾衍生燃料層具有均勻分布的空隙率，且其單個空隙容積較大，有利于可燃氣體的反應。燃料層的空隙率大則通風阻力小，有助于降低風機電耗和結渣程度。 應用范圍： 適合我國現有鍋爐燃燒的新型垃圾衍生燃料。

主要研究內容 1、甲醇陽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研究。 4、單體電池的設計與性能研究。 5、電池組系統結構設計與8W樣機研制。技術指標 陽極鉑載量≤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樣機正常運行40h。產業化前景

轉子發動機可廣泛應用于無人飛機和電動汽車增程器，該項目以天然氣、汽油和柴油等多種燃料轉子發動機為對象，聚焦缸內工作過程，致力于揭示流動和燃燒過程的發展規律，實現缸內混合氣的濃度分布、點火和燃燒的有效控制，以達到高效清潔燃燒的目的。目前已經取得的進展包括：國內率先建立了光學轉子發動機實驗臺架和轉子發動機工作過程的三維動態計算模型；國內率先完成了缸內流場的PIV（Particle Image Velocimetry）測試，發現了缸內渦流的存在并解釋了其產生的原因；通過實驗和數值模擬研究工作總結出了轉子

乙醇回收滲透汽化膜是由無機材料經過高溫燒制制備而成的基膜為支撐層，在支撐層表面經過特殊制備工藝制備而成的致密膜為分離層的非對稱結構的管式復合膜，膜表面平整無缺陷，膜層厚度均勻；分離膜與基膜結合完好，具有抗污能強，使用壽命長的特點，可以用來富集低濃度的含醇溶液的富集。主要應用方向有：燃料乙醇發酵液、丁醇發酵液、低濃度含醇溶液中的醇類物質的富集。

1 成果簡介 鋅-空氣燃料電池作為一種新型的燃料電池系統，用鋅作能量來源，實現發電。鋅-空氣燃料電池具有如下特點： 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料； 與燃油內燃機比，燃料可再生，鋅發電后變為氧化鋅可通過電解得以還原； 環保安全，放進火里也不燃燒。 本研究組已研究開發出 200 瓦的 5 節燃料電池堆，其電流密度指標達到國際先進，證明了設計方案的可行性。利用該技術方案，依據功率需求可開發大小不等的鋅-空氣燃料電池系統。為產業化應用，接下來需要做的工作是設計產品構型、完善整體集成。 2013_8_1 上圖 用于方案驗證的鋅-空氣燃料電池系統 2 應用說明 鋅-空氣燃料電池可做軍用電源，具有補充能量快、安全的優勢；可配合風力發電、太陽能發電系統的大型儲能-發電裝置，為電網調峰補谷，具有安全、成本低優勢；可作為未來電動汽車的動力電源，具有安全、價廉、不需要充電、續駛里程長等優勢。 3 效益分析 量產的鋅-空氣燃料電池系統，制造成本與鉛酸蓄電池相當，而使用壽命更長。 4 合作方式 聯合開發。

本項目成功地攻克了纖維素乙醇技術中的主要“瓶頸”問題：將原料和預處 理成本轉移到了高附加值產品中；就地生產了廉價的纖維素酶；避開了戊糖乙 醇轉化率低難題，同步酶解發酵生產了乙醇；結合提取木素生產生物材料技術 的開發，形成了完整的木質纖維素材料生物煉制生產液體燃料和高值化學品的 集成創新技術，率先進入了產業化進程。本技術可帶動秸稈類生物資源的高效 利用，為逐步形成能部分替代石化產業的生物質煉制產業，促進人類社會的可 持續發展奠定基礎。