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【专题】中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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【专题】中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/12/14
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一、发展概况

 

中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下均简称“青岛能源所”)是由中国科学院、山东省人民政府、青岛市人民政府于2006年7月启动筹建,2009年11月30日通过验收并纳入中国科学院“知识创新工程”管理序列的国立科研机构。青岛能源所通过实施“人才系统工程”计划,已经组建了30多个创新研究组,建设了一支富有朝气、创造力强的科技人才队伍,2017年获批“国家创新人才培养示范基地”。

 

现有中国工程院院士1人、双聘院士5人、科技部创新领军人才3人、人社部“百千万人才工程”2人、基金委“杰青”4人、“优青”3人、入选中科院青年促进会成员35人(其中优秀会员2人)、青岛市创业创新领军人才8人。2017年10月中国科学院批准依托大连化物所、青岛能源所筹建中国科学院洁净能源创新研究院。2019年山东省委、省政府通过决议依托青岛能源所成立山东能源研究院。山东能源研究院下设5个功能实验室,氢能与燃料电池功能实验室作为其中一个功能实验室,聚焦燃料电池系统、燃料电池电堆和制储运加氢3方面,计划在3-5年内建立一支衣宝廉院士任顾问的基础研究与工程开发并重的队伍,汇聚培养1-2名顶尖人才,3-5名杰出人才,15名左右领军人才。

 

青岛能源所电化学过程研究组,成立于2015年1月,目前有10名科研人员,包括工作人员8名,硕博士研究生2名。研究团队以质子交换膜燃料电池的应用基础研究和产业化开发为目标,面向我国能源安全、环境安全的战略发展机遇与挑战,突破质子交换膜燃料电池关键部件、燃料电池系统集成与控制等领域关键技术,并推动其在绿色交通、分布式发电、军民融合等领域的示范应用和产业化推广。

 

团队负责人李晓锦,中科院青岛能源所研究员、博导,青岛市创新领军人才,山东氢能源与燃料电池产业联盟专家委员会专家,中国先进技术转化应用大赛评审专家,国家重点研发计划项目评审专家;长期从事质子交换膜燃料电池材料、部件与过程的应用基础研究与工程开发,主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作、山东省重点研发计划、国家863项目等项目十余项,在质子交换膜燃料电池研究、燃料电池双极板与电堆开发、燃料电池系统集成与过程模拟等方面取得一系列创新性成果;发表高水平学术论文40余篇,申请国家发明专利30余项,已授权8项,获大连市技术进步一等奖1项。

 

二、科研项目及成果

 

1.模压石墨双极板电堆设计与开发

石墨复合材料双极板成本远低于石墨双极板,机械强度强于石墨双极板,单堆体积功率密度高于石墨双极板堆;与金属双极板相比,复合材料耐腐蚀性远优于金属双极板。青岛能源所电化学过程研究组面向国内新能源应用市场经济,以市场为导向,目标实现模压石墨复合双极板的批量化生产及市场推广应用。目前已完成模压石墨双极板中试阶段验证,模压石墨双极板已达到现有商业化纯石墨板的技术指标;并突破了多项核心关键技术,包括石墨基导电复合材料制备技术、高一致性流场构型设计、高效模压批量制备技术;依托该技术,设计开发了大面积、超薄模压石墨极板(单板厚度0.7mm),基于超薄模压石墨板电堆功率密度达到3.0kW/L以上,满足国家以奖代补政策对燃料电池电堆功率密度的指标要求。


图1 模压石墨极板实物图及测试性能

 

2.自增湿燃料电池电堆设计与开发

自增湿燃料电池电堆非常好的耐久性,寿命可以达到8-10万小时;该电堆集成系统后具有系统简化、寄生功耗低等技术优势,在车用、分布式发电领域具有非常好的产业前景。青岛能源所突破高一致性自增湿双极板设计与制备技术、电堆多节一致性与稳定性提升技术。该项技术已在十千瓦级电堆模块中得以验证,结果表明电堆样机具有优异的均一性、稳定性,达到国际先进水平。下一步,将依托山东能源研究院氢能与燃料电池功能实验室,将自增湿电堆作为重要目标之一,基于山东、青岛氢能发展规划,开发燃料电池产业链关键技术和示范应用。

 


图2 自增湿极板实物图

 

3.中高温质子交换膜、膜电极及电堆

中高温质子交换膜燃料电池,可直接使用重整气为燃料,适用于热电联供系统和分布式发电系统。青岛能源所电化学过程研究组自成立以来在中高温燃料电池方面具有较好的技术积累:基于国产原材料开发了新型高电导率、高稳定性的中温质子交换膜,包括聚苯并咪唑(PBI)膜、聚四氟乙烯(PTFE)增强PBI复合膜等有机无机复合膜,并建立了批量、高效的复合膜微观结构可控制备工艺;另外通过构建膜电极有效三相界面结构获得了高性能、低铂中温质子交换膜燃料电池膜电极一体化制备工艺,性能可达0.6V@1A/cm2,处于国际先进水平;以及针对性地从设计、制备、操作三方面调控开发出了高一致性的kW级中温质子交换膜燃料电池电堆。在中温燃料电池领域申报发明专利10项、授权5项,发表论文20余篇。

 


图3 中高温膜电极及测试性能

 

主要科研项目:
 

1.科技部中日政府间合作项目—低铂、高性能中温质子交换膜燃料电池电堆技术研究(2017.1-2019.12)
2.山东省重大科技创新工程项目—低铂高性能车用质子交换膜燃料电池关键技术研究(2019.6-2021.12)
3.中国科学院科技服务网络计划(STS计划)—模压石墨双极板产业化技术开发(2020.1-2020.12)
4.中国科学院洁净能源创新研究院合作基金项目—高性能非铂氢燃料电池阴极材料的研制及氧还原机理研究(2019.10-2021.9)
5.青岛市创新领军人才项目—燃料电池关键部件产业化技术开发(2017.1-2018.12)

 

三、科研设施及科研能力建设

 

青岛能源所目前建有中科院生物燃料重点实验室、中科院生物基材料重点实验室、山东省合成生物技术创新中心等16个省部级平台。构建了完善的国际合作网络,与波音、宝洁、壳牌、道达尔等世界500强企业及牛津大学、德国亥姆霍兹联合会、香港大学等知名科研机构/大学建立科技合作,共建了“可持续航空生物燃料联合研究实验室”、“皮肤与口腔微生物组联合科学研究中心”等8个合作研发平台。

 

青岛能源所承担了一批国家和中科院重大任务,截止2019年底,共承担各类科研项目1800余项,获得竞争性科研经费15.8亿元。累计发表论文3117篇;申请专利1088件。2016-2018年度专利创新能力连续三年位居驻青高校科研机构第一名。

 

青岛能源所通过构建成果转移转化政策体系,建设中试、产业育成基地等平台载体,着力培养知识产权与成果转化专业化人才,联合社会资本设立成果转化基金等重点举措,不断提升成果转化能力与水平。截止2019年底,研究所与200余家企业建立了实质性合作。近五年,实现13项重大成果的转化,与青岛华通集团、琅琊台集团、汉河集团等龙头企业合作成立产业化公司8家。

 

四、主要研究方向

 

1.燃料电池前沿基础:燃料电池关键材料及过程机理研究,电堆过程建模仿真、状态观测及寿命评价方法研究,新型质子交换膜燃料电池研究。

 

2.先进燃料电池技术:开展新一代低成本长寿命燃料电池关键材料合成与关键部件制备技术研究,突破车用燃料电池电堆、关键材料与核心零部件等关键技术及工程化技术,形成大功率电堆和系列化、多规格燃料电池发动机技术开发与产业开发能力,并进行产业化推广与示范应用。

 

3.先进氢能技术:开展副产氢纯化、可再生能源制氢技术研究,开展新一代高能效制氢储氢技术研究,开展氢/电安全及标准研究,开展制氢、储氢、加氢产业工程示范,支撑引领氢能源技术创新与产业发展。

 

五、国内外交流

 

青岛能源所电化学过程研究组与国际国内多所高校和企业,例如同济大学、潍柴动力、宇通客车、青岛院士港、日本名古屋大学、日本富山大学等建立了稳定的科技合作与人才交流关系。

2019年8月应日本科学技术国际交流中心及日本科学技术振兴机构、富山大学、九州大学邀请,团队负责人李晓锦赴日本参加中日大学展暨in Innovation JAPAN论坛并对日本相关大学进行交流访问。2019年12月应日本科学技术振兴机构有马朗人博士邀请,团队负责人李晓锦赴日本执行“中-日新能源车用动力电池论坛及合作项目进展交流”任务,并对早稻田大学、名古屋大学、大阪大学和尼桑公司开展了学术访问,就双方联合承担的科技部中日政府间合作项目进展进行了研讨。

2019年9月,日本富山大学氢同位素研究中心研究员鲁保旺博士应李晓锦研究员邀请对青岛能源所进行了访问,双方就甲烷的低温制氢与二氧化碳甲烷化载氢技术进行了深入交流,探讨了该技术国内落地和共同申报国际合作的可行性。

 

六、发展规划

 

山东能源研究院氢能与燃料电池功能实验室,实验室规划面积15000 m2,在未来3-5年将搭建燃料电池关键部件及电堆制造与装备平台,燃料电池发动机及动力系统测试平台,以及新一代高能效制氢储氢技术研发平台。

 

燃料电池关键部件及电堆制造与装备平台。建立关键材料(催化剂、质子交换膜)及核心部件(膜电极、双极板)制备与表征、原位分析与衰减机理、性能测试与耐久性研究平台,实现燃料电池关键材料及核心部件的综合评价;建立部分燃料电池关键材料与部件先进制造平台,建立电堆高耐久性密封组件的高精度原位快速成型平台,开发系列电堆模块的堆型设计及工程化制造平台,开发电堆模块快速在线活化、加速寿命测试在线检测平台。

 

燃料电池发动机及动力系统平台。建立燃料电池动力系统全工况仿真软硬件平台,建立燃料电池发动机系统集成与动态测试平台,建立燃料电池电-电深度混合动力系统设计及健康管理平台,实现燃料电池发动机及电-电深度混合系统全工况参数测量与控制策略评价。

 

新一代高能效制储运氢技术研发平台。高能效光解水直接制氢、高效电解水制氢、甲醇现场重整制氢,氢液化技术、车载高密度液态固态储氢技术等新一代高能效制储运氢技术研发平台。

 

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