团队负责人：陈元振

所在学院：材料科学与工程学院

一、项目简介

我国工业领域余热利用空间很大，工业废水、废气蕴含着大量余热，如何利用这些浪费的热能，近年来受到广泛关注。目前的余热回收主要为高温余热，中低温余热难以提取或利用效率低。

目前在中低温余热应用方面，主要采用换热技术来生产热水和蒸汽，用作其他生产工艺应用或生活用热使用，缺点是只能作为热能使用，无法灵活配置。

此外，也有使用余热回收发电，包括有机朗肯循环（ORC）和热电材料转换。有机朗肯循环在50-200℃的热效率为5-10％，基础设施的价格比较昂贵。热电材料的转化效率较低(<8％)，使用温度高，通常高于300℃，且需要用昂贵的半导体材料；而在200℃以下，其热电转化效率较低（0.1-1％），在此温度下基本没有应用价值。

本项目提供一种利用余热发电的氢离子热电池及其电极制备技术，可以将中低温废弃余热（50到200℃）直接转化为电能。主要的技术原理是：氢离子热电池在热的驱动下产生电流，氢气经阳极流场板进入阳极催化层被氧化为氢离子，释放出的电子通过外电路到达复合有阴极催化剂的阴极电极；氢离子通过质子交换膜迁移到阴极催化层并与外电路流入的电子结合，又被还原为氢气，电子在外电路移动的过程中收获了电流。这一过程中不需要外部供电，不需要高温或高压，通过废气的中低温余热产生电流；氢气不产生化学反应，可以持续再利用。

二、产品性能优势

在我国碳达峰和碳中和时间轴制定背景下，如何提高低品质热的利用率对节能减排意义重大。在此背景下，本项目发明了一种热电转换氢离子浓差热电池。它采用燃料电池结构，以氢气为媒质，利用两极间的氢浓度差和废热高温环境，在不消耗氢气的情况下实现热电转化，170℃时转化效率达到13.72%，远高于热电材料和有机朗肯器件的转换效率。该成果将为低品质热能的回收利用开辟一条崭新的道路，具有巨大的市场价值。

本项目关键技术优势为整套热电池系统开发，通过设计合理的余热气体流场与氢循环路径，在临界面上布置经过改性工艺的PBI质子交换膜，基于质子交换膜两边的氢浓度差，通过高效催化剂分别在阴、阳极发生还原和氧化反应实现电子得失，从而产生可输出使用的电流。热电池系统需要针对具体回收的余热废气成分、温度等数据，有针对性进行系统性设计，电池的结构设计、高效催化剂研制、以及质子交换膜的改性处理工艺等都对电池性能影响较大。

氢离子浓差热电池属于清洁能源，与其它余热回收设备相比，结构形式简单，体积更小，能直接产生可用电力，可为企业或工厂能源配置提供更多选择，在余热回收领域具有更强的竞争力。

三、市场前景及应用

数据显示，我国有50％左右的工业能耗没有被利用，余热资源平均回收利用率只有30％左右，即2018年回收利用资源总量最低为2.36亿吨标准煤，最高为9.29亿吨标准煤，平均为5.54亿吨标准煤。

目前国外发达国家余热资源平均回收利用率基本达到40％-60％。随着国家政策对余热回收利用的鼓励和支持，以及余热回收利用技术和效率的不断提高，如果未来我国余热回收利用率达到60％，则可回收利用的余热资源高达4.71-18.57亿吨标准煤，平均达到11.09亿吨标准煤，节能潜力十分巨大。

技术成熟度

□概念验证 √原理样机 □工程样机 □中试 □产业化

五、合作方式

□联合研发 □技术入股 □转让 □授权（许可）√面议