1成果简介

作为一种清洁、高效的能量转换装置，质子交换膜燃料电池的理论比能量高达32940Wh/kg（由于在地面上使用时可不计空气的质量），是各种电化学电池体系中的理论比能量“对冠军”率密度高、电流密度大，是最先进的能量转换技术之一。现在世界各国正在加速其在民用领域的产品开发。清华大学利用质子交换膜燃料电池国产关键原材料，创新膜电极制备方法和优化制备工艺，开发出了高性能、大面积的国产材料膜电极批量制备技术。并在模块化燃料电池设计和计算机模拟仿真的基础上，开发出了长寿命、高性能的千瓦级全国产材料燃料电池发电机。积累了5项专利技术。

该发电机的性能达到了进口材料发电机的同等水平，并具有以下三个特色：

（1）制造燃料电池发电机的质子交换膜、催化剂、碳纸、碳板关键材料均为国内自主生产，不依赖于进口，具有材料供应的安全保障和低成本优势；

（2）燃料电池发电机的核心部件 — 膜电极采用适合于国产材料特性的新型工艺制备而成，具有发电稳定性好、输出功率密度高的特点（在常压氢气/空气、60℃的条件下，最高功率密度可达到500mW/cm²以上）；

（3）国产材料燃料电池发电机采用新型的模块化结构设计，使得组装简易化和快速化，以及维护更为方便，具有发电高可靠容错性。

该成果使我国具有从燃料电池原材料制备到电堆组装全过程的完整意义上的自主知识产权，打破了国外燃料电池原材料生产商的长期技术垄断，促进了我国燃料电池产业走有“源”的自主发展之路。

2技术指标

单电池数 额定输出功率 最大输出功率 额定发电能力 使用燃料 工作温度（最高） 氢气压力 冷却方式 电堆出口压力 起动时间 发电效率 活性面积 额定功率密度

39 1200W      1400W             48A/25V                 氢气/空气 70℃  <0.05MPa 空冷 常压 即时起动 52%/25V 150cm2 205mW/cm2

3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，燃料电池家用电站已经在日本产业化），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），而本项目采用“863”计划“全国产材料燃料电池发电机”成果，利用国产原材料制备燃料电池电堆，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。

4效益分析

目前，质子交换膜燃料电池的先进制造水平为：电极催化剂载量为0.5毫克/平方厘米（电极）左右，电极性能可以在常压空气条件下达到0.62V、1A/cm² (0.62W/ cm2)。如在批量生产的情况下，1千瓦的质子交换膜燃料电池电堆仅需要使用约2克的Pt催化剂、0.2平方米的质子交换膜、0.4平方米的碳纸扩散层和约0.24平方米模压双极板。考虑国产燃料电池材料的批量生产，估计能实现的经济指标：1500元/平方米（质子交换膜）、催化剂400元/克（Pt）、300元/平方米（碳纸）、600元/平方米（模压石墨板）。1千瓦全国产材料燃料电池堆的关键材料成本可控制在1500元以下，这与目前进口材料燃料电池40000元/千瓦的成本相比，国产材料燃料电池堆具有十分诱人的前景，这一批量生产的经济指标已经远远低于电站成本要求8000元/千瓦，距离交通动力500元/千瓦的产业化目标也为时不远。

5合作方式

技术转让、合作生产、合作开发。