裴普成：清華大學(xué)在燃料電池領(lǐng)域有多項(xiàng)研究

　　據(jù)裴普成教授介紹，清華大學(xué)對(duì)燃料電池車的研究從1999年就已經(jīng)開始。當(dāng)時(shí)，清華大學(xué)曾經(jīng)裝了一個(gè)5千瓦的電堆在一個(gè)小平臺(tái)車上。2001年，清華大學(xué)用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年，國家科技部立項(xiàng)開展燃料電池客車和燃料電池轎車計(jì)劃，清華大學(xué)被確定為燃料電池客車的牽頭單位，同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)牽頭做燃料電池轎車。

　　2002年12月30日晚，清華大學(xué)的50千瓦燃料電池客車從實(shí)驗(yàn)室開出來。是中國第一輛燃料電池客車，第一臺(tái)氫空型燃料電池系統(tǒng)裝車，是真正的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。在之前清華大學(xué)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年之后，曾逐年提升對(duì)燃料電池系統(tǒng)功率的要求，最高到130千瓦。研究得知，燃料電池的功率并非越大越好。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(jīng)足夠使用，因?yàn)檫€有蓄電池組的儲(chǔ)能。現(xiàn)在，清華大學(xué)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(xué)在北京奧運(yùn)會(huì)期間投入了三輛燃料電池公交車，與2007年戴克公司試運(yùn)行的汽車走同樣路線、停同樣站臺(tái)，并同樣運(yùn)行一年時(shí)間，以此對(duì)燃料電池的性能進(jìn)行考核。與戴克的三輛車相比，清華大學(xué)燃料電池汽車的氫氣消耗量明顯低很多。戴克的汽車百公里耗氫量大概是百公里16公斤左右，而清華把汽車的耗氫量降至7到8公斤。此后，清華大學(xué)又為2010年上海世博會(huì)提供三輛公交車，運(yùn)行半年，同年為新加坡首屆國際青奧會(huì)提供一輛燃料電池公交車，運(yùn)行半年。經(jīng)歷春夏秋冬、高溫多雨的考驗(yàn)，表現(xiàn)很好。

　　通過比對(duì)戴克同一批次的汽車，在北京運(yùn)行的3輛車大概運(yùn)行800到900個(gè)小時(shí)就不行了，在歐洲運(yùn)行的使用壽命要好得多。在戴克的總結(jié)報(bào)告會(huì)上，令人印象深刻的結(jié)論是北京的空氣質(zhì)量太差。因此中國燃料電池汽車的發(fā)展，環(huán)境因素增加了更大挑戰(zhàn)，也證明發(fā)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(nèi)部一致性較差。國外先進(jìn)燃料電池堆都是生產(chǎn)線上下來的，一致性較好。而國內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在很多人為因素，導(dǎo)致結(jié)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(lǐng)導(dǎo)的研究組開展了如下工作。

  　　雙極板批量制造技術(shù)

　　清華在FC耐久性方面做了很多努力，研究了雙極板批量制造技術(shù)。過去制作雙極板使用雕刻技術(shù)，購買板子然后雕刻加工，通常一張板子的原材料需要300元，加工費(fèi)400元，總成本約700元,一個(gè)雙極板需要兩張板。國外使用沖壓技術(shù)生產(chǎn)一個(gè)雙極板僅需要6美元。清華大學(xué)曾設(shè)計(jì)出模壓柔性石墨雙極板、沖壓金屬雙極板。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(fā)現(xiàn)，電堆故障往往都是因?yàn)榉e水。積水和加工缺陷有關(guān)，譬如中間換刀會(huì)在加工的地方留下痕跡，這個(gè)地方就容易形成積水。

 　　燃料電池壽命評(píng)價(jià)技術(shù)

　　清華大學(xué)試驗(yàn)證明駕駛循環(huán)下燃料電池性能衰減率可用四個(gè)工況下的衰減率疊加表示，基于數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出了基于實(shí)驗(yàn)室測試和道路運(yùn)行工況譜的壽命預(yù)測公式。總試驗(yàn)時(shí)間為200小時(shí)左右，然后據(jù)此推測出燃料電池在車上的使用壽命。這項(xiàng)工作的優(yōu)勢是，在實(shí)驗(yàn)室就可以對(duì)電池壽命進(jìn)行預(yù)測和評(píng)價(jià)，在缺少燃料電池車的標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)情況下，可預(yù)測燃料電池在各種駕駛循環(huán)下的使用壽命。

　　現(xiàn)在，燃料電池汽車還沒有標(biāo)準(zhǔn)的駕駛循環(huán)。每輛車裝多大功率的電池，其動(dòng)力構(gòu)型是多裝燃料電池還是多裝蓄電池，沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)。這也意味著不同配型的燃料電池在車上的輸出性能會(huì)不同，工況變化和變化頻率幅度都會(huì)不一樣。另外，同樣一輛車在不同時(shí)段、不同路段運(yùn)行，駕駛循環(huán)也會(huì)不同。清華大學(xué)通過在實(shí)驗(yàn)室把燃料電池在各個(gè)工況下的衰減率計(jì)算出來，然后重新組合出不同的駕駛循環(huán)。并計(jì)算不同駕駛循環(huán)下燃料電池的壽命是多少。

　　通過測試，清華大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)這種預(yù)測結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)。用同樣的燃料電池裝在車上計(jì)算衰減率和使用壽命，在一輛車上能跑2600小時(shí)，裝到另一輛車上跑1900小時(shí)。當(dāng)然在實(shí)際測試中，這些車都沒有跑那么長時(shí)間，因?yàn)橹辉囘\(yùn)行了一年，大約跑了1200小時(shí)就結(jié)束了。但是預(yù)測的性能衰減率與實(shí)際情況非常吻合。

 　　動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù) 防止燃料電池水淹

　　清華大學(xué)的另一項(xiàng)研究是用動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù)預(yù)防電堆故障，這是一種防止水淹的技術(shù)。

　　早些時(shí)候，清華大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)氫氣壓力降可以作為燃料電池水淹的判定條件，并研究出了壓力降精確計(jì)算公式。在正常情況下，實(shí)測壓力降與公式吻合，當(dāng)出現(xiàn)水淹時(shí)，實(shí)測值明顯偏離公式計(jì)算值。

　　這個(gè)公式還可以用于燃料電池雙極板流場設(shè)計(jì)中。過去設(shè)計(jì)燃料電池流場所用的壓力降經(jīng)驗(yàn)公式，與實(shí)際燃料電池工作中的壓力降差異較大，因?yàn)樗鼪]有電流參數(shù)。

　　有了這個(gè)公式以后，就可以判斷出什么時(shí)候出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，如果等壓力降到降到燃料電池已經(jīng)被水堵死，再去解決故障就很難了。

　　清華大學(xué)通過試驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)燃料電池從出現(xiàn)水淹，到被堵死之前，壓力降會(huì)有很明顯的平臺(tái)現(xiàn)象，而且持續(xù)時(shí)間很長。通過給燃料電池設(shè)置控制窗，可以在發(fā)現(xiàn)特定點(diǎn)的時(shí)候趕快進(jìn)行處理，不等它進(jìn)入平臺(tái)就可以進(jìn)行調(diào)控，很好地防止燃料電池水淹。

　　基于這樣的理念，清華大學(xué)把動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)控技術(shù)做成了一個(gè)專業(yè)軟件和控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池的自動(dòng)控制，防止燃料電池出現(xiàn)水淹。在實(shí)驗(yàn)室的測試過程中，曾人為創(chuàng)造水淹情況，通過運(yùn)用這個(gè)系統(tǒng)燃料電池很快就自動(dòng)恢復(fù)到正常了。

 　　同步檢測燃料電池堆多片膜電極的多參數(shù)

　　過去，只能用線性電位掃描法和循環(huán)伏安法分別檢測單片膜電極的各參數(shù)，但是無法對(duì)電堆進(jìn)行測試。如果對(duì)電堆使用循環(huán)伏安法，很難保證燃料電池的電壓呈線性上升，因?yàn)槊抗?jié)電流都不一致，會(huì)使得電壓升高率不一樣。

　　為了解決這個(gè)問題，清華大學(xué)研究出一套新技術(shù)——恒流充電解析法。在這個(gè)堆上每節(jié)電流都一樣，通過調(diào)制后，輸出來的電壓會(huì)帶有各節(jié)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(nèi)在差異，得出相應(yīng)的參數(shù)，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(jié)燃料電池的這四個(gè)參數(shù)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(dòng)幅度，比用循環(huán)伏安法在不同掃描速率下的波動(dòng)范圍小得多，這種方法有明顯的優(yōu)勢。可用于對(duì)電堆一致性研究、組堆環(huán)節(jié)的膜電極篩選、檢查電堆內(nèi)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(wǎng)站刊文“清華團(tuán)隊(duì)開發(fā)出高功率密度鋅空燃料電池堆”，許多網(wǎng)站紛紛轉(zhuǎn)載。

　　為什么國外對(duì)清華的進(jìn)展這么關(guān)注？鋅空燃料電池有許多優(yōu)點(diǎn)，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(nèi)，加拿大國家研究院用特種催化劑的情況下最高達(dá)到每平方厘米230毫瓦，而清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)把這一數(shù)據(jù)提高到每平方厘米435毫瓦。研究成果發(fā)布后,最近又有同學(xué)把數(shù)值提升到450，可以說具有突破性。

　　以前清華大學(xué)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(xiàn)在鋅空燃料電池的功率密度達(dá)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(xué)在探索研究高性能長壽命的鋅空電池。