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華南理工大學

詳情介紹應用前景專利證書

（一）技術原創(chuàng)性及重要性

1. 技術原創(chuàng)性

本專利技術立足國家能源產業(yè)轉型升級需求，瞄準我國正大力發(fā)展的氫能及燃料電池技術，針對燃料電池亟需解決的熱/流管理難題，以直接甲醇質子交換膜燃料電池為原型，提出基于切削金屬纖維多孔介質的傳熱傳質調控及燃料綜合管理技術，首次將具有跨尺度形貌特征的多孔結構引入燃料電池，作為燃料輸運裝置、熱量平衡裝置、反應物回收裝置的傳質調控功能元件，實現材料-結構-功能一體化設計及制造，解決長期制約燃料電池產業(yè)發(fā)展的電池體積功率密度低、能量利用率低、性能衰減快和運行可靠性不足等問題。

傳統(tǒng)燃料電池熱/流管理的技術瓶頸：

(1) 傳統(tǒng)開孔型流場內的流動阻力不一致，相鄰流道存在較大壓差，不可避免產生傳質盲區(qū)，導致滲透率嚴重受限。傳質不均或受阻都不利于強化內部反應，造成燃料電池輸出性能下降。

(2) 常規(guī)燃料循環(huán)系統(tǒng)依賴更多外部輔助設備，無法實現燃料尾氣的高效回收再利用，且會產生寄生功耗，導致系統(tǒng)物料利用率和能量轉換效率降低。

(3) 采用單一的對流換熱方式（液冷/風冷）對燃料電池進行熱管理，不僅依賴外部的流體動力裝置，且換熱過程存在遲滯性，無法實現燃料電池溫度的實時快速調控，導致燃料電池運行穩(wěn)定性較差。

針對以上技術瓶頸問題，本發(fā)明主要原理性的創(chuàng)新有：

(1) 首創(chuàng)基于切削金屬纖維多孔介質的傳質調控技術。首創(chuàng)基于多齒切削和高溫固相燒結技術的金屬纖維多孔介質，并將其作為燃料輸運裝置的傳質調控功能元件，其結構上表現為具有復雜跨尺度表面形貌及特殊孔徑分布特征，可通過主動控制工藝參數調控多孔介質孔隙率、孔徑、厚度、親疏水性等結構與物性參數，滿足復雜極端工況下燃料供給的嚴苛要求。

(2) 首創(chuàng)基于蒸汽冷凝相變及定向傳輸的燃料綜合管理技術。具有復雜跨尺度表面形貌的金屬纖維多孔介質為燃料冷凝相變提供有利場所，蛇形管路為燃料回收提供定向傳輸通道。通過在蛇形管路內填充不銹鋼金屬纖維，在管槽內構建有利于強化相變及對流的多孔微通道，利用雙重換熱實現燃料尾氣冷凝回收再利用，有效提升系統(tǒng)物料利用率和能量轉換效率。

(3) 首創(chuàng)基于相變傳熱元件（纖維燒結型熱管）的電池溫度均衡技術。利用纖維燒結型熱管更優(yōu)的熱導性和等溫性、更可控的熱流密度和熱流方向，實現電池溫度的高效精準調控，保證燃料電池安全穩(wěn)定運行。

2. 解決的核心問題

(1) 突破了復雜極端工況下燃料傳輸不均及傳質受阻的技術瓶頸。本專利將具有復雜跨尺度表面形貌的多孔結構引入燃料電池流場，采用切削金屬纖維作為燃料傳輸介質，實現材料-結構-功能的一體化設計及制造，消除傳質盲區(qū)，降低燃料傳輸阻力，保證復雜極端工況下燃料有效供給。

(2) 解決了燃料利用率和能量轉換效率低的技術難題。本專利提出基于蒸汽冷凝相變及定向傳輸的燃料綜合管理技術，對尾氣定向傳輸元件（蛇形管路）和冷凝傳輸層（金屬纖維多孔介質）進行優(yōu)化設計，兩者高效協(xié)同作用，使得尾氣在蛇形管槽內以相變及強制對流形式雙重換熱，實現燃料尾氣冷凝回收再利用，有效提升系統(tǒng)能量轉換效率。

(3) 解決了燃料電池溫控系統(tǒng)復雜和換熱遲滯的技術難題。傳統(tǒng)的燃料電池溫控系統(tǒng)主要依賴復雜的輔助設備（水泵、中冷器、節(jié)溫器等），存在響應遲滯、調控精準度差等問題。本專利采用相變傳熱元件（纖維燒結型熱管）直接將電池余熱快速導出，簡化熱傳遞過程，減少對輔助設備的依賴，實現對電池溫度的高效精準調控，保證燃料電池在復雜極端工況下安全穩(wěn)定運行。

（二）技術優(yōu)勢

1. 技術優(yōu)勢

本專利技術的主要技術優(yōu)勢在于：

(1) 技術成果顯著提高燃料電池電堆功率密度。得益于熱/流管理的優(yōu)化，電池輸出性能得到顯著提升。基于本專利技術開發(fā)的燃料電池電堆體積功率密度達到4.0kW/L，相比日本豐田Mirai、本田Clarity燃料電池汽車電堆功率密度提升29%（來源：日本豐田、本田官方參數），相比韓國現代NEXO燃料電池汽車電堆功率密度提升28.6%（來源：韓國現代官方參數）。

(2) 技術成果顯著提高燃料電池的運行壽命。得益于燃料電池熱/流管理系統(tǒng)的精準設計，降低了系統(tǒng)長周期運行的損耗，從根本上提升了燃料電池運行壽命。對比國外同類產品，開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定性及壽命得到有效提升，相比日本本田Clarity燃料電池汽車電堆運行壽命提升200%（來源：日本本田官方參數），相比巴拉德9SSL電堆提升25%（來源：加拿大巴拉德官方參數）。

(3) 技術成果顯著降低燃料電池電堆測試設備功耗。基于本專利提出的高效傳熱傳質調控及燃料綜合管理技術，開發(fā)的150kW燃料電池電堆測試設備，與加拿大Green Light（綠光創(chuàng)新）、臺灣Hephas（群翌）電堆測試設備相比，功耗更低、集成度更高，設備能效達到國際一流水平。

2. 技術實施效果的確定性

(1) 得到國內外權威機構及頂級刊物的正面引用和積極評價

以本專利為核心的系列關鍵技術先后獲得包括國家自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃等在內的多項國家級、省部級項目支持（證明詳見-附件四）。圍繞關鍵核心技術，已發(fā)表SCI索引論文150余篇，入選ESI高被引論文3篇（證明詳見-附件2.1），其中1篇被評為“2010年中國百篇最具影響國際學術論文”（證明詳見-附件5.6）。論文總引用3500余次，被Nature、Nat. Commun.、Sci. Adv.等國際頂尖期刊，以及清華大學、香港科技大學、英國帝國理工學院、德國亥姆霍茲聯合會等國內外權威科研機構正面引用。例如，英國RSC Fellow、美國ACS Poly fellow Michael D. Guiver教授在國際《自然》期刊（Nature 595 (2021) 361-369）論文中對本專利涉及的技術給予高度評價：“多孔金屬纖維具有生產制造成本低，孔隙率、孔徑、親疏水性等結構與物性參數可高效調控等優(yōu)點”（證明詳見-附件2.2）。

(2) 得到本領域權威專家及官方媒體的高度評價和專題報道

本專利提出的金屬纖維多孔介質被中國科學院院士、工程熱物理學家陶文銓教授和郭烈錦教授評價為：“多孔結構具有的低密度、高比表面積和良好的滲透性，有利于強化微通道的傳質/傳熱功能，在燃料電池領域有良好的應用前景”；面向燃料電池高效熱/流管理研發(fā)的燃料供給技術被中國科學院院士、美國ASME Fellow、英國RSC Fellow趙天壽教授評價為：“該技術在抑制燃料電池甲醇穿透方面具有重要意義，對燃料電池熱/流管理具有創(chuàng)新指導作用”。發(fā)明人基于專利核心技術撰寫的“表面反應功能結構制造”章節(jié)入選《2018-2019機械工程學科發(fā)展報告（機械制造）》，屬機械制造領域電池方向唯一代表性工作（證明詳見-附件2.3）。此外，相關技術成果先后被《科學中國人》（2020年第10期）、《南方日報》（2022年4月30日A02版）、廣東廣播電視臺（2018年4月5日）等多家官方媒體跟蹤報道（證明詳見-附件2.4）。

專利產品亮相2022世界新能源汽車大會，全國zhengxie主席、中國kexie主席、世界新能源汽車大會主席萬鋼蒞臨展區(qū)參觀指導，對基于本專利技術研發(fā)的燃料電池電堆、燃料電池系統(tǒng)進行仔細詢問，詳細了解燃料電池發(fā)展進程及產品情況，高度肯定了發(fā)明人在燃料電池技術領域所取得的成績和突破。