氢能

2020-08-19

1.1车用耐高温低湿质子膜及成膜聚合物批量制备技术 ( 共性 关键技术类)

研究内容:针对车用氢燃料电池的要求,突破高温低湿条

件下应用的质子交换膜的产业化技术,具体包括:开发全氟共聚功

能单体合成及成套工程装备技术;高交换容量全氟质子聚合物制备

技术;全氟质子交换聚合物高纯单分散溶液制备技术;气体传递和

自由基作用机理研究;高机械强度、高化学稳定性全氟质子交换膜

连续制备技术与装备,全氟质子膜在燃料电池中的应用。

考核指标:全氟质子聚合物离子交换容量(IEC)≥1.3mmol/g,

全氟质子交换聚合物分散粒径≤200nm;全氟质子膜厚度≤18μm、

偏差≤±5%(采样面积≥300cm 2 ),离子电导率≥0.1S/cm(95℃,

60RH%)、0.04S/cm(120℃,30%RH),电子电阻率>1000Ωcm 2 ,

渗氢电流≤2mA/cm 2 ,允许高运行温度≥100℃,强度≥45MPa,

纵横向溶胀率≤3%,OCV 测试氟离子释放率≤0.7μg/cm 2 /h、循环

OCV 次数≥90,产能≥20 万 m 2 /年,成本≤500 元/m 2 ,金属离子

含量≤20ppm。

1.2碱性离子交换膜制备技术及应用(基础研究类)

研究内容:研发高性能碱性聚电解质膜连续制备工艺,酸碱

双性膜及电解水制氢,电化学合成氨及分解氨反应系统,直

接氨燃料电池等应用技术。

考核指标:碱性离子电导率≥0.04S∙cm -1 (25℃)和≥0.14S∙cm -1

(80℃),氢气透过率≤0.02mL∙min -1 ∙cm -2 ,机械强度≥20MPa,

纵横向溶胀率≤10%,氢氧燃料电池工作 1000h 膜材料无降解

(80℃)、阳离子降解≤5%(1M NaOH 中 80℃下浸泡 5000h),

膜连续制备的幅宽≥0.2m,厚度≤25μm(偏差≤±2μm);酸碱双

性膜水电解单体模块产氢≥10Nm 3 /h,制氢纯度≥99.99%,电耗≤

4.1kWh/Nm 3 H 2 ;电解制氨法拉第效率>20%,实现 kg 级系统集成;

氨 反 向 电 化 学 分 解 效 率 > 95% ; 直 接 氨 燃 料 电 池 ≥

150mW/cm 2 @0.3V,常压,80℃。

1.3扩散层用炭纸批量制备及应用技术(共性关键技术类)


破支撑层用炭纸及气体扩散层(GDL)批量制备技术与装备。具

体包括:开发炭纸用炭纤维工程化工艺与装备,研发炭纸用改性

粘合剂,开发炭纸石墨化工艺与装备,研发表面疏水处理等后处

理材料及工艺技术,根据“气—液—电—热”传输与支撑性能要

求,开发出系列炭纸;研发炭纸复合微孔层(MPL)强化传输技

术,开发可在线监测与反馈的 GDL 制备工艺与装备;开展运行工

况下相关可靠性及耐腐蚀性研究。

考核指标:炭纸可控厚度 80μm~190μm、偏差≤±1.5%(采样

面积≥40cm×40cm),孔隙率≥75%,密度 0.3g∙cm -3 ~0.45g∙cm -3 ,

垂直向透气率≥2000mL∙mm/(cm 2 ∙h∙mmAq)、垂直向电阻率≤

65mΩ∙cm、平行向电阻率≤4mΩ∙cm、接触电阻≤5mΩ∙cm 2 ,弯曲

强度≥10MPa、弯曲模量≥10GPa、拉伸强度≥25MPa,导热系数

(干态):垂直≥1.7W/(m∙K)、平行≥21W/(m∙K),产能 40 万

m 2 /年;MPL 中孔径可控精度±10nm,表面粗糙度≤7μm;GDL 可

控厚度 80μm~250μm、偏差≤±1.5%,可控接触角≥145 o 。


1.4车用燃料电池催化剂批量制备技术(共性关键技术类)

研究内容:针对车用燃料电池催化剂对耐久性和一致性的技

术要求,突破具备高动态工况耐受能力、兼具高性能/抗中毒特征

的铂基催化剂及其百公斤级批量制备技术。具体包括:研发氧还

原活性提高技术,贵金属用量降低技术,高电位循环耐久技术,

抗氢气杂质(CO、含硫化合物)污染技术;开发高一致性、低杂

质含量催化剂工艺配方及批量化制备技术,研发可规模化生产的

催化剂纳米合成工艺,孔径分布合理、催化剂易于高分散担载、

成本低廉的先进功能载体处理技术,以及催化剂工业化制备技术

与装备。

考 核 指 标: 催 化 剂 初 始 氧 还 原 质 量 比 活 性 ≥

0.35a/mgPt@0.9V IR-free ,催化剂电化学活性面积≥60m 2 /g,耐久性

①0.6V~0.95V≥3 万次循环质量活性衰减率≤40%、电化学活性面

积衰减率≤40%,耐久性②1.0V~1.5V≥5000 次循环质量活性衰减

率≤40%、电化学活性面积衰减率≤40%,氢气杂质耐受性①CO

导致的催化剂质量活性衰减≤30%(0.1M HClO 4 1000 ppm

CO/H 2 ),并且催化剂在膜电中性能衰减≤10mV(在 1A/cm 2 ,1

ppm CO/H 2 ,24h);②硫化物导致的催化剂活性面积衰减≤30%

(0.36ppm H 2 S,24h),在膜电中性能衰减≤30mV(在 1A/cm 2 ,

0.004 ppm H 2 S,24h)。产能≥2000g/批次、≥200kg/年,粒径及性

能偏差≤±8%,Cl - 含量小于 50 ppm wt,Fe 含量小于 50 ppm wt,

量产成本≤(Pt现货价格 ·PGM wt% + 100)元/g。批次样品可供第三

方在产线采集、评估,提供项目外客户应用证明。


1.5质子交换膜燃料电池板专用基材开发(共性关键技术类 )

研究内容:针对质子交换膜燃料电池用板的可加工性、耐

蚀性技术要求,研发具备特殊微结构、高耐蚀、低电阻专用超薄

基材及其批量制备工艺。具体包括:高耐蚀、低电阻、易于成型的不锈钢和钛合金基材,及高强度与弹性、高致密与导电性、超薄复合石墨板,其成份设计、混合熔铸、组织调控与前后处理技术,及其可连续工业级制备技术与装置的研发;基材耐蚀、

导电、可成形性综合性能评估;超薄基材试制及寿命快速评

估方法研究。

考核指标:不锈钢与钛合金薄板基材厚度 50μm~150μm、偏

差 ≤ ±4μm , 抗 弯 强 度 ≥ 25MPa , 初 始 : 接 触 电 阻 ≤

3mΩ∙cm 2 @1.4MPa(接触炭纸)、腐蚀电流≤5.00×10 -7 A/cm 2 @80℃

(0.5M 硫酸+5ppm F - 溶液),10000 小时工况后:接触电阻≤

8mΩ·cm 2 @1.4MPa、腐蚀电流≤10.00×10 -7 A/cm 2 @80℃,湿热循环

测试后无腐蚀、无变形,产能≥1000 吨/年,延伸率:不锈钢≥55%、

钛合金≥30%,体相电阻率:不锈钢≤0.075mΩ·cm、钛合金≤

0.17mΩ·cm,成本:不锈钢≤25 元/kg,钛合金≤150 元/kg;超薄

复合石墨板厚度≤1.4mm、薄处厚度 0.1mm~0.3mm,平面度≤

10μm,电导率≥150S/cm,透气率≤2×10 -8 cm 3 (cm 2 ∙s) -1 ,工作压

力≥1bar(g),弯曲强度≥50MPa,接触电阻≤10mΩ∙cm 2 ,短堆

工作 5000h、性能降幅≤10%。


1.6车用燃料电池堆及空压机的材料与部件耐久性测试技术 及规范(共性关键技术类)

研究内容:针对质子交换膜燃料电池的产业化过程质量控制

的需求,开展电堆关键材料及系统部件耐久性、电磁兼容性测试

技术及规范研究。具体包括:研究电堆运行过程中的健康诊断方

法,进行实际验证;研究电堆关键材料(催化剂、膜、炭纸、极

板基材、防腐涂层等)理化参数及核心部件(膜电极、双极板、

密封件等)特性参数的测量方法、等效加速老化方法,建立关联

数据库并形成规范;研发燃料电池系统用空压机关键性能、环境

适应性、耐久性等加速测试技术,形成寿命预测与验证方法;研

发车用燃料电池系统的电子控制单元离线电磁兼容辐射发射、传

导发射、电磁场抗扰度、瞬态抗扰度、静电放电等测试技术,形

成规范方法。

考核指标:车载电堆健康诊断装置对电堆氢渗检出率>90%;

在 5000 小时测试的基础上,建立性能与耐久性评测方法、流程规

范,包括:催化剂、质子膜、扩散介质、膜电极、双极板、密封

件及短堆,形成特性/理化参数及其测量方法集合≥10 类,基于工

况衰变规律的寿命模型预测偏差≤10%;空压机耐久性测试方法加

速系数≥15、偏差≤3%,研制的综合测试设备适应系统功率范围

45kW~150kW;建立电磁兼容离线性能测试方法、流程规范,至

少包括电子控制单元(ECU)、节电压巡检(CVM)、空压机控制

器;建成的电磁兼容性测试平台,在燃料电池工作情况下:辐射

发射测试能力达到 18GHz,辐射抗扰度能力在 400MHz 至

3000MHz 范围内达到 200V/m。


1.7公路运输用高压、大容量管束集装箱氢气储存技术 ( 共性 关键技术类)

研究内容:针对国内现有 20MPa 管束车储氢量小、运输成本

高等问题,开展更高储存压力下的公路运输用大容量管束集装箱

氢气储存技术研究。具体包括:高长径比、高压储氢瓶纤维缠绕

设计与工艺;大容量内胆成型技术;使用工况下高压储氢瓶的失

效机理研究与测试技术;满足道路运输法规要求的高压大容量管

束集装箱体设计与集成技术;大容量高压储氢瓶试验方法和标准

研究。

考核指标:储氢瓶公称工作压力≥50MPa,单瓶水容积≥

450L,单瓶储氢密度≥5.5wt%,循环寿命≥15000 次(水压充放

循环试验压力 10%(大不超过 3MPa)~150%公称工作压力);

管束集装箱储氢量≥1000kg(符合道路运输法规要求),使用环境

温度-40℃~60℃;形成相关储氢高压管束集装箱国家/行业产品标

准送审稿。


1.8液氢制取、究 储运与加注关键装备及安全性研究 ( 应用示范类 )

研究内容:针对千辆级商用车集中运行对氢燃料制备、输配

及加注的需求,开展氢气液化工艺、液氢储运和液氢存储—气氢

加注站的相关研究。具体包括:正仲氢转化、液氢温区高真

空多层绝热技术研究;液氢储罐和运输用液氢槽罐的研制;大规

模氢气液化工艺流程开发和优化;氢气液化过程量化风险分析、

防护、预警和应急分析;液氢加氢站工艺流程开发及布局优

化;气氢与液氢加氢站风险、经济性量化对比分析。

考核指标:液化能力≥5 吨/天单套装备,仲氢含量

(Para-hydrogen,体积分数)≥95%,氢气液化能耗≤13kWh/kg,

液氢纯度(摩尔分数)≥99.97%;储存用液氢储罐容积≥300m³,

液氢静态日蒸发率≤0.25%/天,维持时间≥30 天;运输用液氢槽

罐≥40m³,液氢静态日蒸发率≤0.73%/天,维持时间≥12 天,真

空寿命≥5 年;开发具备 35MPa 和 70MPa 加注能力液氢储存气态

加注站工艺包,站内液氢储量≥500kg,峰值加氢能力≥500kg/天,

氢气加注能耗≤2.50kWh/kg-H 2 ;完成两种氢气储存类型加氢站的

泄漏监测、运行和经济性评价示范项目。

1.8液氢制取、究 储运与加注关键装备及安全性研究 ( 应用示范类 )

研究内容:针对千辆级商用车集中运行对氢燃料制备、输配

及加注的需求,开展氢气液化工艺、液氢储运和液氢存储—气氢

加注站的相关研究。具体包括:正仲氢转化、液氢温区高真

空多层绝热技术研究;液氢储罐和运输用液氢槽罐的研制;大规

模氢气液化工艺流程开发和优化;氢气液化过程量化风险分析、

防护、预警和应急分析;液氢加氢站工艺流程开发及布局优

化;气氢与液氢加氢站风险、经济性量化对比分析。

考核指标:液化能力≥5 吨/天单套装备,仲氢含量

(Para-hydrogen,体积分数)≥95%,氢气液化能耗≤13kWh/kg,

液氢纯度(摩尔分数)≥99.97%;储存用液氢储罐容积≥300m³,

液氢静态日蒸发率≤0.25%/天,维持时间≥30 天;运输用液氢槽

罐≥40m³,液氢静态日蒸发率≤0.73%/天,维持时间≥12 天,真

空寿命≥5 年;开发具备 35MPa 和 70MPa 加注能力液氢储存气态

加注站工艺包,站内液氢储量≥500kg,峰值加氢能力≥500kg/天,

氢气加注能耗≤2.50kWh/kg-H 2 ;完成两种氢气储存类型加氢站的

泄漏监测、运行和经济性评价示范项目。

1.9醇类重整制氢及冷热电联供的燃料电池系统集成技术 ( 共 性关键技术类

研究内容:针对效 率、环保、长寿命分布式供能系统应用需

求,开展燃料电池冷—热—电联供系统的关键技术研发。具体包

括:用于分布式供能的醇类重整制氢系统技术;质子交换膜燃料

电池的空气在线净化技术;质子交换膜燃料电池冷—热—电联供

系统技术;固体氧化物燃料电池热电联供系统技术;燃料电池冷

—热—电联供系统模拟仿真、系统集成优化及能量管控技术。

考核指标:全自动甲醇重整制氢集成系统产氢能力≥

30Nm 3 /h、效率≥85% LHV,氢气中 CO≤0.2ppm、总硫≤4ppb,

冷态自启动时间≤30min,动态负荷调节能力≥50%;空气在线净

化系统 SO 2 、NO 2 、VOC、甲醛、O 3 脱除率≥95%,NH 3 脱除率≥

80%(污染物基准浓度 1ppm),PM10 以下大气气溶胶脱除率≥

99%,无故障运行时间≥1500h;冷热电联供的质子交换膜燃料电

池系统额定发电功率≥30kW,发电效率≥50%,70℃余热条件下、

制冷效率≥40%,系统供电制冷效率≥70% LHV,连续运行≥

3000h;基于重整合成气为燃料的固体氧化物燃料电池热电联供系

统额定发电功率≥30kW、发电效率≥55%(DC,LHV),热电联

供总效率≥85%,连续运行≥1000h。




分享