基于貴金屬替代的新型動力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎研究

1、項目名稱：基于貴金屬替代的新型動力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎研究首席科學家：孫公權(quán) 中國科學院大連化學物理研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部門：中國科學院 教育部一、關(guān)鍵科學問題及研究內(nèi)容新型動力燃料電池的產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化目前主要面臨三方面的挑戰(zhàn)，即鉑基電催化劑價格昂貴、資源有限；堿性/高溫電解質(zhì)膜技術(shù)尚未突破、膜電極的性能有待提高；電堆的一致性、系統(tǒng)的一體化研究剛剛開始。這三方面的問題相互關(guān)聯(lián)、相互制約，現(xiàn)有的理論和方法難以應對，大量的基礎科學問題亟待解決。本項目針對具體的應用目標新型動力燃料電池，從實際需求出發(fā)，凝練出迫切需要解決的三個關(guān)鍵科學問題：（1）多孔電極反應動力學過程

2、和電催化劑構(gòu)效關(guān)系及電催化機理；（2）聚合物電解質(zhì)膜的分子創(chuàng)制和膜電極有序化結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及離子傳輸強化機制；（3）動力燃料電池電堆一致性和系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)設計與過程耦合規(guī)律。從本質(zhì)上認識與理解新型動力燃料電池未來發(fā)展的技術(shù)需求和演進規(guī)律，為動力燃料電池在不同領(lǐng)域的應用奠定理論基礎。目前動力燃料電池面臨的挑戰(zhàn)、本項目擬解決的關(guān)鍵科學技術(shù)問題、潛在的應用領(lǐng)域以及技術(shù)驗證之間的關(guān)系如下： 科學問題（1）：燃料電池多孔電極反應動力學過程和電催化劑構(gòu)效關(guān)系及電催化機理傳統(tǒng)的電極過程動力學建立在以二維平面電極為基礎的半無限擴散模型上，而燃料電池電極反應主要發(fā)生在三維納米結(jié)構(gòu)的多孔電極中，涉及氣、液、固多相界面，

3、電極反應動力學受多種串并聯(lián)傳質(zhì)與納米尺度效應的影響，成流機理非常復雜。因此，建立全面描述這種燃料電池多孔電極反應動力學過程的數(shù)學模型，無疑可為貴金屬替代電催化劑的設計、有序化膜電極構(gòu)筑以及降低高能效電堆的各種極化損失、促進大功率動力燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)響應等提供理論基礎。此外，現(xiàn)有的Marcus電子轉(zhuǎn)移理論是針對外球反應的非量子力學理論，無法描述涉及表面吸附的電催化過程（內(nèi)球反應）。實際上，燃料電池電化學反應包括反應物分子在電極表面的吸附解離、電子轉(zhuǎn)移以及中間體的復合、產(chǎn)物脫附等多個步驟，其微觀基元過程與催化劑表面的反應勢能面密切相關(guān)?？茖W問題（2）：聚合物電解質(zhì)的分子創(chuàng)制和膜電極有序化結(jié)構(gòu)構(gòu)筑

4、及離子傳輸強化機制采用聚合物電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)，使燃料電池的結(jié)構(gòu)更加緊湊、功率密度顯著提升。目前使用的聚合物電解質(zhì)主要為Nafion質(zhì)子交換膜，該膜含有連續(xù)的疏水的(CF2)n基團骨架和一定數(shù)量親水鏈段磺酸基團SO3H，具有質(zhì)子電導率高、化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但該膜工作時必須確保足夠的水作為質(zhì)子傳導介質(zhì)，溶脹現(xiàn)象嚴重。此外，該膜為質(zhì)子交換膜，無法用于堿性環(huán)境。調(diào)控聚合物膜的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑有序離子傳輸通道是提高離子傳輸效率和減小水依賴的重要途徑。特別是堿性聚合物電解質(zhì)（APE），不但需要較高的OH-濃度以獲得良好的離子電導率，還需抑制水含量以提高尺寸穩(wěn)定性。膜電極通常由電解質(zhì)膜、催化層、擴

5、散層構(gòu)成，是燃料電池的“心臟”。電解質(zhì)膜不但要快速傳輸離子而且要阻隔陰陽極“短路”，催化層是電極電化學反應發(fā)生的場所，電極反應沿著高度擴展的催化劑/電解質(zhì)/反應氣體三相界面進行，反應物、中間體、產(chǎn)物的傳輸遷移至關(guān)重要。擴散層必須使反應物均勻地分布到催化層的各個部分，產(chǎn)物快速移出膜電極。此外，固體聚合物電解質(zhì)與電極表面的接觸遠不如液體電解質(zhì)的充分，直接導致催化劑利用效率下降。因此，為了加速反應物、產(chǎn)物、中間體的傳輸遷移速率，改善電極動力學過程，提高有效的電化學反應面積以及膜電極性能，膜電極的微觀結(jié)構(gòu)（微-納層次上的有序化）、界面極化現(xiàn)象等關(guān)鍵科學問題研究至關(guān)重要?？茖W問題（3）：燃料電池電堆一致

6、性與系統(tǒng)一體化集成設計及過程耦合規(guī)律氫-氧燃料電池工作時兩個電極分別消耗水和產(chǎn)生水，通過電滲拖曳水還可能從一個電極遷移至另一個電極；在高功率密度下放電，產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生的電能大致相等，這些熱量必須通過水介質(zhì)等及時交換。燃料電池電堆通常由數(shù)十節(jié)乃至數(shù)百節(jié)單體電池組成，電堆內(nèi)不同區(qū)域燃料、熱量、電場的分布差異較大，電堆的性能與保存使用壽命與諸多因素有關(guān)，除了工況負載、環(huán)境溫度、啟動關(guān)閉、燃料供給等外部因素以外，電堆內(nèi)部的水管理、熱交換、單體電池的均勻性、單體電池之間的一致性、膜電極與雙極板及其結(jié)構(gòu)密封部件的兼容性等決定了動力燃料電池的一致性與能量轉(zhuǎn)換效率。在眾多的影響因素中，如何將電堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特

7、性與實際工況下的動態(tài)響應特征關(guān)聯(lián)起來，一直是燃料電池領(lǐng)域夢寐以求的目標。通過模型研究結(jié)合實驗驗證，建立電堆內(nèi)強化傳輸?shù)臄?shù)學模型，探討電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性與動態(tài)響應特征的內(nèi)在聯(lián)系，為改善動力燃料電池電堆的一致性提供理論指導是動力燃料電池必須解決的科學問題。動力燃料電池系統(tǒng)是一個多循環(huán)、非穩(wěn)態(tài)、非線性的復雜系統(tǒng)，其動態(tài)響應特性不僅與系統(tǒng)內(nèi)部電堆的性能有關(guān)，而且與系統(tǒng)內(nèi)各功能部件、控制策略、實際工況等密不可分，目前的理論方法還不能全面有效的描述系統(tǒng)內(nèi)強化傳輸機制、動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律。本項目將通過仿真模擬與實驗分析，揭示燃料電池動力系統(tǒng)內(nèi)部多相流中強化傳輸與能量轉(zhuǎn)

8、換機制，闡明多能流耦合機制，建立有限空間內(nèi)的高效集成強化設計理論勢在必行。本項目圍繞總體目標、關(guān)鍵科學問題，開展以下六個方面工作。研究內(nèi)容（1） 貴金屬完全替代電催化劑的結(jié)構(gòu)設計與催化活性及耐久性研究針對貴金屬完全替代電催化劑的催化活性與耐久性，圍繞納米電催化劑的構(gòu)效關(guān)系、理論方法、制備技術(shù)，開展Me-Nx型電催化劑和非金屬電催化劑的理論設計與模型模擬研究；貴金屬完全替代電催化劑的設計、制備技術(shù)研究；電催化活性與穩(wěn)定性以及基于納米材料的量子尺寸效應研究；考察非貴金屬電催化劑表面電子結(jié)構(gòu)與電催化活性的構(gòu)效關(guān)系；探索有效增強非貴金屬電催化劑的電催化活性與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設計方案；創(chuàng)制可用于動力燃料電池

9、的非貴金屬納米電催化劑，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供關(guān)鍵材料。研究內(nèi)容（2） 貴金屬部分替代納米電催化劑的創(chuàng)制與催化活性及抗毒機理研究針對貴金屬部分替代納米電催化劑的制備成本與毒化現(xiàn)象，圍繞提高納米電催化劑的利用率與耐久性，開展新型核/殼結(jié)構(gòu)電催化劑的研究；低載量貴金屬-非貴金屬復合電催化劑研究；高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)合金納米晶的結(jié)構(gòu)設計與制備工藝研究；電催化劑的納米限域效應和電催化劑的毒化機理研究及其穩(wěn)定性基礎研究；考察電催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)、組成、尺寸、形貌、合金度等與抗毒機制、耐久性的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供關(guān)鍵材料。研究內(nèi)容（3） 新型固態(tài)電解質(zhì)膜的分子設計與離子傳輸

10、機制研究針對貴金屬替代動力燃料電池所需的新型電解質(zhì)膜，圍繞高溫缺水環(huán)境中的質(zhì)子傳導與高效氫氧根傳輸?shù)瓤茖W問題，開展聚合物電解質(zhì)的離子傳輸機制與結(jié)構(gòu)模擬研究；高溫質(zhì)子交換膜的構(gòu)效關(guān)系與高效合成方法；堿性聚合物電解質(zhì)的分子設計與結(jié)構(gòu)調(diào)控；低溫氧離子傳導薄膜的結(jié)構(gòu)設計與傳輸機理；堿性聚合物電解質(zhì)有序氫氧根傳導通道的構(gòu)筑規(guī)律和高溫缺水條件下的質(zhì)子傳導增強機制研究，為動力燃料電池新型固體電解質(zhì)的研究開發(fā)奠定基礎。研究內(nèi)容（4） 有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與界面極化損失研究針對膜電極內(nèi)部三相界面的形成與穩(wěn)定機制及界面極化損失，圍繞強化傳輸遷移規(guī)律與高效能量轉(zhuǎn)化，開展有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)設計與控制制備技術(shù)

11、研究；有序化膜電極三相界面形成穩(wěn)定機制研究；傳輸遷移行為與能量轉(zhuǎn)換效率、界面兼容性與極化損失；堿性AEMFC與ET-PEMFC有序化膜電極構(gòu)建規(guī)律研究；考察膜電極內(nèi)部各種界面的極化現(xiàn)象，建立有序化膜電極及其界面極化損失的理論模型，闡明多孔電極內(nèi)部強化傳輸遷移規(guī)律與高效能量轉(zhuǎn)化機制，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供核心部件。研究內(nèi)容（5） 基于新型電解質(zhì)膜的高能效電堆結(jié)構(gòu)與一致性研究針對基于新型電解質(zhì)膜的高能效電堆，圍繞電堆內(nèi)部強化傳輸過程，開展高能效電堆結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、高能效電堆的一致性研究；雙極板的流場設計與膜電極界面兼容性研究；堿性AEMFC電堆水熱管理、ET-PEMFC電堆特性研究；考察

12、基于新型電解質(zhì)膜動力燃料電池電堆的性能與穩(wěn)定性；探索電堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性與實際工況下的動態(tài)響應特征及其耦合規(guī)律；建立電堆內(nèi)部質(zhì)、熱、電傳遞的數(shù)學模型，改善動力燃料電池電堆的一致性；完善高能效電堆結(jié)構(gòu)設計的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)，為開發(fā)高能效、高一致性動力燃料電池系統(tǒng)提供理論基礎和實驗依據(jù)。研究內(nèi)容（6） 10千瓦級新型燃料電池動力系統(tǒng)集成技術(shù)研究針對10千瓦級新型燃料電池動力系統(tǒng)集成優(yōu)化，圍繞動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律，開展空壓系統(tǒng)、氫循環(huán)、增濕等關(guān)鍵單元的模型參數(shù)及其相關(guān)組件研究；新型動力燃料電池系統(tǒng)流程開發(fā)及集成、控制策略優(yōu)化研究；新型動力燃料電池工況系統(tǒng)測試及

13、壽命預測研究，探索單元與系統(tǒng)的多組分、多相流傳熱、相變與能量轉(zhuǎn)換理論及高效集成強化設計規(guī)律，建立有限空間內(nèi)一體化集成的參數(shù)控制策略和結(jié)構(gòu)設計方案；研制10kW級基于非貴金屬或低貴金屬電催化劑的新型燃料電池動力系統(tǒng)，驗證技術(shù)的先進性與實用性。二、預期目標1. 總體研究目標本項目針對貴金屬替代的動力燃料電池，開展貴金屬替代電催化劑、新型電解質(zhì)膜、有序化膜電極、高能效電堆、一體化系統(tǒng)集成等基礎研究，重點解決燃料電池動力電源多孔電極反應動力學過程和電催化劑構(gòu)效關(guān)系及電催化機理，聚合物電解質(zhì)膜的分子創(chuàng)制和膜電極有序化結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及離子傳輸強化機制，燃料電池電堆一致性與系統(tǒng)一體化集成的設計與過程耦合規(guī)律等關(guān)鍵

14、科學問題。通過上述關(guān)鍵科學問題研究，完善燃料電池多孔電極反應動力學理論，揭示貴金屬替代電催化劑的構(gòu)效關(guān)系，創(chuàng)制新型堿性/高溫電解質(zhì)膜，構(gòu)筑有序化膜電極立體結(jié)構(gòu)與界面極化模型，建立高能效電堆與一體化系統(tǒng)優(yōu)化集成策略，降低電源系統(tǒng)制備成本，提升實際工況下動力燃料電池系統(tǒng)的耐久性與使用壽命。組裝50W - 10kW的燃料電池動力電源以驗證研究成果的先進性與實用性，推動我國燃料電池動力電源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步。2. 五年預期目標 本項目的實施，可望獲得一批具有基礎性、前瞻性、戰(zhàn)略性的科技成果，五年目標如下：（1） 揭示基于過渡金屬合金、氧化物、氮化物、碳化物等非貴金屬催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)與催化活性的構(gòu)效關(guān)系

15、；建立有效增強非貴金屬催化劑催化活性與穩(wěn)定性的設計方案；完善非貴金屬催化劑的原位/在線表征方法與測試技術(shù)；掌握過渡金屬與配體間的相互作用規(guī)律及其調(diào)控演進方法，豐富電催化劑的納米限域理論；研制3-5種可直接用于技術(shù)驗證的具有較高活性的S、N、B元素摻雜的非貴金屬電催化劑；為非貴金屬電催化劑的批量制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。（2） 揭示貴金屬部分替代電催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)、尺寸、組成、形貌等與抗毒機制和耐久性之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律、電催化劑的中毒、失活機理；掌握具有較高催化活性、耐久性、抗CO、硫化物等毒化的貴金屬部分替代催化劑的制備技術(shù)、工藝參數(shù)及其調(diào)控演進方法，形成完整的理論體系與工藝流程；研制3

16、-5種可直接用于技術(shù)驗證的貴金屬部分替代高效電催化劑。（3） 揭示堿性聚合物電解質(zhì)與高溫質(zhì)子交換膜的離子傳輸、氧化降解機制；建立新型聚合物電解質(zhì)膜的材料設計方案；完善具有穿插網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高溫聚合物電解質(zhì)膜與堿性電解質(zhì)膜的制備工藝以及調(diào)控方法；研制3-5種可直接用于技術(shù)驗證的新型固態(tài)電解質(zhì)膜，為新型堿性聚合物電解質(zhì)膜與高溫質(zhì)子交換膜的研究開發(fā)提供理論基礎和實驗依據(jù)。（4） 深入理解催化劑/電解質(zhì)/反應氣體三相界面的形成和穩(wěn)定機制；揭示膜電極的微-納結(jié)構(gòu)、孔隙率、親水/疏水性、比表面等與反應物、產(chǎn)物、中間體的傳輸遷移速率、強化傳輸過程的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律；建立多尺度、多組分膜電極電化學反應傳遞及其界面極化

17、損失模型；闡明多孔電極內(nèi)部水、熱、質(zhì)、電傳輸遷移規(guī)律與高效能量轉(zhuǎn)化機制；研制可直接用于技術(shù)驗證的有利于質(zhì)子、電子、反應物、產(chǎn)物傳輸遷移的有序化膜電極；為有序化膜電極的批量制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。（5） 建立電堆內(nèi)部水、質(zhì)、熱、電傳遞等數(shù)學模型、優(yōu)化策略與技術(shù)方案；揭示電堆內(nèi)部水管理、熱交換、均勻性、一致性與實際工況下的動態(tài)響應特征的內(nèi)在聯(lián)系及其耦合規(guī)律；研制可直接用于技術(shù)驗證的10kW貴金屬完全替代和部分替代的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池電堆、1000W鋅/空氣燃料電池電堆、100W直接甲醇燃料電池電堆、50W固體氧化物燃料電池電堆；為開發(fā)高能效、高一致性動力燃料電池系統(tǒng)提供理論基礎和實驗依據(jù)。

18、（6） 完善動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律；建立空壓、氫循環(huán)、增濕等關(guān)鍵單元的模型參數(shù)及組件開發(fā)方案；獲得單元組件與動力系統(tǒng)在非穩(wěn)態(tài)條件下的共性傳熱、傳質(zhì)規(guī)律及科學控制策略；闡述單元與系統(tǒng)的多組分、多相流傳熱、相變與能量轉(zhuǎn)換理論及高效集成強化設計規(guī)律；完善燃料電池動力系統(tǒng)低成本、高耐久性的高效集成方法與結(jié)構(gòu)設計方案以及優(yōu)化控制策略；豐富系統(tǒng)一體化質(zhì)量、能量管理與控制理論。（7） 在國際核心學術(shù)刊物上發(fā)表研究論文200300篇，申請發(fā)明專利50-100件，形成我國自主知識產(chǎn)權(quán)體系，建立國際一流的燃料電池動力電源研究平臺，培養(yǎng)一批具有國際競爭力燃料電池專業(yè)人才。三、研

19、究方案1. 總體思路本項目面向國家新型動力電源重大需求與長遠發(fā)展規(guī)劃，堅持“理論密切聯(lián)系實際”原則，開展基于貴金屬替代的新型動力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎研究。從關(guān)鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成3個層次上凝練出3個關(guān)鍵科學問題：(1)燃料電池多孔電極反應動力學過程和電催化劑構(gòu)效關(guān)系及電催化機理；(2) 聚合物電解質(zhì)的分子創(chuàng)制和膜電極有序化結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及離子傳輸強化機制；(3) 燃料電池電堆一致性與系統(tǒng)一體化集成設計及過程耦合規(guī)律。圍繞項目的總目標和關(guān)鍵科學問題，借鑒其他動力電池研究開發(fā)的成功經(jīng)驗，設置6個研究課題：(1) 貴金屬完全替代的電催化劑結(jié)構(gòu)設計與催化活性及耐久性研究；(2) 貴金屬部分替代納

20、米電催化劑的創(chuàng)制與催化活性及抗毒機理研究；(3) 新型固態(tài)電解質(zhì)膜的分子設計與離子傳輸機制研究；(4) 有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與界面極化損失研究；(5) 基于新型電解質(zhì)膜高能效電堆結(jié)構(gòu)與一致性研究；(6) 10千瓦級新型動力燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)研究。本項目以物理化學、有機化學、量子化學、電化學、材料科學、表面科學、化學工程等基礎理論為科學基礎，通過多學科的交叉融合開展關(guān)鍵科學問題研究與創(chuàng)新。課題（1）和（2）的研究，重點解決第一個關(guān)鍵科學問題，研制出貴金屬完全或部分替代納米電催化劑，擺脫目前動力燃料電池鉑基電催化劑的成本與資源限制；課題（3）和（4）的研究，重點解決第二個關(guān)鍵科學問題，研制

21、出新型堿性與高溫聚合物電解質(zhì)膜以及相應的膜電極，突破新型動力燃料電池堿性/高溫聚合物電解質(zhì)膜及膜電極等瓶頸；課題（5）和（6）的研究，重點解決第三個關(guān)鍵科學問題，研制出高能效動力燃料電池電堆和一體化動力燃料電池系統(tǒng)，建立動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應模型與控制策略；通過50W-10kW不同類型動力燃料電池電堆與系統(tǒng)的研制，驗證研究成果的先進性與實用性，引領(lǐng)與帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展與進步。（1） 技術(shù)途徑 本項目的研究是沿著關(guān)鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成、成果驗證這一技術(shù)途徑展開的，通過關(guān)鍵科學技術(shù)問題的深入研究與創(chuàng)新突破，實現(xiàn)項目的總目標。關(guān)鍵材料研究首先，通過貴金屬完全替代電催化

22、劑的研究，揭示基于過渡金屬合金、氧化物、氮化物、碳化物等非貴金屬催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)與催化活性的構(gòu)效關(guān)系；建立有效增強非貴金屬催化劑催化活性與穩(wěn)定性的設計方案；完善非貴金屬催化劑的原位/在線表征方法與測試技術(shù)；掌握過渡金屬與配體間的相互作用規(guī)律及其調(diào)控演進方法，豐富電催化劑的納米限域理論。其次，通過貴金屬部分替代電催化劑的研究，揭示貴金屬部分替代電催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)、尺寸、組成、形貌等與抗毒機制、耐久性之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律以及電催化劑的中毒、失活機理；掌握創(chuàng)制具有較高催化活性、耐久性、抗CO、硫化物等毒化的貴金屬部分替代催化劑的制備技術(shù)、工藝參數(shù)及其調(diào)控演進方法，形成完整的理論體系與工藝流程研

23、制3-5種可直接用于技術(shù)驗證的貴金屬完全替代和部分替代高效電催化劑。為本項目后續(xù)膜電極的研究提供理論基礎和電催化劑材料。核心部件研究首先，通過新型堿性/高溫聚合物電解質(zhì)膜及膜電極的研究，揭示堿性聚合物電解質(zhì)與高溫質(zhì)子交換膜的離子傳輸、氧化降解機制；建立新型聚合物電解質(zhì)膜的材料設計方案；完善具有穿插網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高溫聚合物電解質(zhì)膜與堿性電解質(zhì)膜的制備工藝以及調(diào)控方法；研制3-5種可直接用于技術(shù)驗證的新型固態(tài)電解質(zhì)膜，為膜電極的研究提供理論基礎和新型堿性/高溫聚合物電解質(zhì)膜。其次，通過有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與界面極化損失研究，深入理解催化劑/電解質(zhì)/反應氣體三相界面的形成穩(wěn)定機制；揭示膜電極的微-

24、納結(jié)構(gòu)、孔隙率、親水/疏水性、比表面等與反應物、產(chǎn)物、中間體的傳輸遷移速率、強化傳輸過程的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律；建立多尺度、多組分膜電極電化學反應傳遞及其界面極化損失模型；研制可直接用于技術(shù)驗證的有利于質(zhì)子、電子、反應物、產(chǎn)物傳輸遷移的有序化膜電極。為動力燃料電池電堆研究提供理論基礎與核心部件。系統(tǒng)集成研究首先，通過基于新型電解質(zhì)膜高能效電堆結(jié)構(gòu)與一致性研究，建立電堆內(nèi)部水、質(zhì)、熱、電傳遞等數(shù)學模型、優(yōu)化策略與技術(shù)方案；揭示電堆內(nèi)部水管理、熱交換、均勻性、一致性與實際工況下的動態(tài)響應特征的內(nèi)在聯(lián)系及其耦合規(guī)律。其次，通過動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律研究；建立空壓、氫循環(huán)

25、、增濕等關(guān)鍵單元的模型參數(shù)及組件開發(fā)方案；考察單元組件與動力系統(tǒng)在非穩(wěn)態(tài)條件下的共性傳熱、傳質(zhì)規(guī)律及科學控制策略；闡明單元與系統(tǒng)的多組分、多相流傳熱、相變與能量轉(zhuǎn)換理論及高效集成強化設計規(guī)律；完善燃料電池動力系統(tǒng)低成本、高耐久性的高效集成方法與結(jié)構(gòu)設計方案以及優(yōu)化控制策略，為技術(shù)成果的驗證提供動力燃料電池系統(tǒng)。技術(shù)成果驗證通過10kW貴金屬完全替代和部分替代的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池電堆、1000W鋅/空氣燃料電池電堆、100W直接甲醇燃料電池電堆、50W固體氧化物燃料電池電堆的研制，進一步擇優(yōu)完善燃料電池動力系統(tǒng)，完善系統(tǒng)一體化質(zhì)量、能量管理與控制理論。通過在模擬工況條件下的實際運行，測試評估

26、動力燃料電池系統(tǒng)的各種性能指標，可以直接驗證研究技術(shù)成果的先進性與實用性。（2）取得重大突破的可行性分析本項目取得重大突破的可行性可從以下幾個方面說明。項目目標明確、技術(shù)方案具有可操作性。項目研究團隊面向國家重大需求，針對非貴金屬新型動力燃料電池，從實際需求出發(fā)分析目前國內(nèi)外技術(shù)狀況與未來發(fā)展態(tài)勢，借鑒國內(nèi)外其他動力電池研究開發(fā)的成功經(jīng)驗，結(jié)合承擔單位前期研究工作已經(jīng)取得的重大進展和面臨的科學技術(shù)瓶頸，經(jīng)過反復的科學論證，凝練關(guān)鍵科學問題，設置研究課題，提出了切實可行的具有可操作性的技術(shù)方案。通過規(guī)模放大，研制10kW動力燃料電池系統(tǒng)以驗證研究成果的先進性與實用性，因而，該技術(shù)方案具有較強的可

27、操作性。項目承擔單位前期研究工作基礎扎實。本項目承擔和參與單位在國家自然科學基金、國家863計劃和973計劃資助下，在燃料電池電催化劑、電解質(zhì)膜、膜電極、燃料電池電堆、系統(tǒng)集成等領(lǐng)域開展了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩成果，獲得多項國家和省部級獎勵，發(fā)表了多篇高水平研究論文。項目承擔單位先后完成轎車發(fā)動機50臺，客車發(fā)動機3臺。在2008年北京奧運會、2009年美國加州燃料電池車示范項目、2010年上海世博會及新加坡世青賽燃料車示范項目中取得圓滿成功，累計運行里程13.85萬公里，得到國內(nèi)外專家及同行業(yè)認可。上述研究開發(fā)成果為本項目的研究提供了豐富實踐經(jīng)驗和充分的科學儲備。項目承擔單位具備良

28、好的實驗條件。本項目承擔和參與單位在相關(guān)領(lǐng)域擁有多個省部級重點實驗室和工程研究開發(fā)中心，例如，中國科學院大連化學物理研究所燃料電池工程中心、催化基礎國家重點實驗室、上海有機化學研究所有機氟化學重點實驗室、武漢理工大學材料復合新技術(shù)國家重點實驗室、廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室、重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室、清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室等。這些國家重點實驗室裝備精良、特色鮮明，為本項目的研究可提供實驗條件保障。2. 項目的創(chuàng)新性與特色本項目的創(chuàng)新性與特色主要體現(xiàn)在以下3個方面： (1) 基礎理論模型創(chuàng)新本項目提出的燃料電池

29、多孔電極反應動力學理論，有望精細描述燃料電池多孔電極這一復雜體系的極化理論、成流機理，是電極過程動力學的一個重要發(fā)展；基于量子化學的電催化劑設計理論，可從分子軌道、費米能級層次揭示電催化劑的微觀構(gòu)效關(guān)系，進一步豐富納米限域理論；膜電極三相界面與極化損失模型，可精確描述離子強化傳輸遷移規(guī)律，對提高電催化劑的利用率和膜電極的能量轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要；高能效電堆流場分布及水熱管理模型，可直接用于電堆內(nèi)部的水管理、熱交換，為動力燃料電池電堆的均勻性和一致性的提高提供理論指導；動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應模型，對電池系統(tǒng)一體化設計具有重要意義。 (2) 材料部件研制創(chuàng)新本項目提出的以過渡金屬

30、為核心，單原子鉑為殼層的新型核-殼結(jié)構(gòu)電催化劑，可以大幅度提高電催化劑的質(zhì)量比活性，具有重要的理論與應用價值；高晶面指數(shù)納米晶電催化劑，不僅可以大幅提高電催化劑的催化活性與穩(wěn)定性，還可以廣泛應用于其他催化領(lǐng)域；使用季胺化的聚砜材料制備的陰離子交換膜，可滿足燃料電池對聚合物溶液與膜的雙重要求；網(wǎng)絡穿插結(jié)構(gòu)高溫電解質(zhì)膜，可大幅增強抗CO能力，加速電極過程，降低相應的電極極化。(3) 系統(tǒng)集成優(yōu)化創(chuàng)新本項目提出的系統(tǒng)集成是基于電堆內(nèi)部強化傳輸模型、優(yōu)化策略，動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律，對動力燃料電池系統(tǒng)多相流水熱管理模型，一體化質(zhì)量、能量管理與控制策略至關(guān)重要，國內(nèi)

31、外尚無該方面的報道，不僅可用于動力燃料電池系統(tǒng)集成，也可用于其他動力電源的系統(tǒng)集成，具有一定的普適性。本項目研究的特色是理論密切聯(lián)系實際，項目研制的10kW等多種動力燃料電池系統(tǒng)，可直接驗證技術(shù)的先進性與實用性。3. 課題設置本項目圍繞總體目標，針對關(guān)鍵科學問題和重點研究內(nèi)容，結(jié)合承擔單位和參與單位的工作基礎與研究優(yōu)勢，共計設置下列六個課題。每個課題相對獨立、各有側(cè)重、突出創(chuàng)新與特色，各課題之間相互關(guān)聯(lián)、相互促進、有機地構(gòu)成項目整體。本項目設置的六個課題為：課題1 貴金屬完全替代納米電催化劑結(jié)構(gòu)設計與催化活性及耐久性研究課題2 貴金屬部分替代納米電催化劑的創(chuàng)制與催化活性及抗毒機理研究課題3 新

32、型固態(tài)電解質(zhì)膜的分子設計與離子傳輸機制研究課題4 有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與界面極化損失研究課題5 基于新型電解質(zhì)膜高能效電堆結(jié)構(gòu)與一致性研究課題6 10千瓦級新型動力燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)研究課題1 貴金屬完全替代電催化劑的結(jié)構(gòu)設計與催化活性及耐久性研究本課題針對貴金屬完全替代電催化劑的催化活性與穩(wěn)定性，圍繞納米電催化劑的構(gòu)效關(guān)系、理論方法、制備技術(shù)，開展過渡金屬合金、氧化物、氮化物、碳化物以及含N配體等基礎研究，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供關(guān)鍵材料。主要研究內(nèi)容 ：(1) Me-Nx型催化劑的理論設計與模擬：利用現(xiàn)代計算化學方法，通過理論模擬金屬Me與含N配體(苯胺、吡咯、噻吩、卟啉

33、等)間形成的Me-Nx催化劑在酸、堿介質(zhì)中氧還原反應（ORR）的催化機理，在分子水平上探察Me-Nx上的催化活性位；考察Me-N間相互作用對催化劑活性影響的量子化學本質(zhì)因素；藉此建立配體同Me-Nx活性、穩(wěn)定性的構(gòu)效關(guān)系，為深入理解Me-Nx電催化劑的催化機理和電催化性的制備、調(diào)控、優(yōu)化提供理論依據(jù)。(2) 非金屬電催化劑的理論設計與模擬：結(jié)合現(xiàn)代催化理論與量子化學計算方法，制備含摻雜元素(S、N、B) 碳納米結(jié)構(gòu) (碳納米管、石墨烯等) 材料；深入研究這些材料的幾何形貌、表面狀態(tài)、電子構(gòu)型以及電化學催化機理；考察非金屬催化劑結(jié)構(gòu)、形貌與催化活性的內(nèi)在聯(lián)系，為非金屬電催化劑的制備、調(diào)控、優(yōu)化提

34、供理論依據(jù)。(3) 貴金屬完全替代催化劑的設計：在原子、分子層次上構(gòu)筑過渡金屬合金和過渡金屬氧化物催化劑，采用現(xiàn)代納米技術(shù)實現(xiàn)陽極非貴金屬催化劑的控制制備；深入研究這些催化劑對甲醇、乙醇等有機小分子和氫氣陽極氧化反應的催化活性及其關(guān)鍵影響因素，為陽極非貴金屬催化劑的結(jié)構(gòu)設計、高效制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。(4) 貴金屬完全替代催化劑的穩(wěn)定性研究：研究載體對催化活性體系的穩(wěn)定作用，在載體表面構(gòu)造限域結(jié)構(gòu)，形成納米限域環(huán)境，利用限域效應提高非貴金屬催化體系的穩(wěn)定性；嘗試選擇SiC等作為載體，在其表面形成定向排列的碳納米管陣列，然后摻雜或填充過渡金屬，利用整體式電極結(jié)構(gòu)以及碳納米管的限域效應提高催

35、化劑的穩(wěn)定性。(5) 基于納米材料的量子尺寸效應研究：采用現(xiàn)代納米技術(shù)與雜化、摻雜等方法，制備相應的非貴金屬納米電催化劑，發(fā)展“自下而上”的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法；從原子、原子簇和分子出發(fā)，探索載體和摻雜其他原子調(diào)控非貴金屬催化劑的電子結(jié)構(gòu)及其量子尺寸效應；通過化學識別、組織生長和有序組裝，制備具有較高催化活性和耐久性的非貴金屬催化劑。(6) 貴金屬完全替代催化劑的制備方法研究：在上述研究基礎上，通過質(zhì)與量、粒徑、粒度等影響因素的研究，建立電催化劑催化活性的多參數(shù)經(jīng)驗函數(shù)；通過載體的孔徑分布、孔隙率、表面親水/疏水性、表面基團的合理調(diào)控，研制有利于質(zhì)、熱、電傳輸遷移的電催化劑體系，完善非貴金屬催化劑

36、的制備方法與工藝參數(shù)，實現(xiàn)非貴金屬催化劑的批量制備。研究目標：通過本課題研究，揭示基于過渡金屬合金、氧化物、氮化物、碳化物等非貴金屬催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)與催化活性的構(gòu)效關(guān)系；建立有效增強非貴金屬催化劑催化活性與穩(wěn)定性的設計方案；完善非貴金屬催化劑的原位/在線表征方法與測試技術(shù)；掌握過渡金屬與配體間的相互作用規(guī)律及其調(diào)控演進方法，豐富電催化劑的納米限域理論；為非貴金屬電催化劑的批量制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。形成批量放大制備工藝，為千瓦級動力燃料電池技術(shù)驗證提供電催化劑材料。研制3-5種具有較高活性和穩(wěn)定性的S、N、B元素摻雜的非貴金屬電催化劑；國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 60-80篇，申請發(fā)明

37、專利 10-15項，培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人1-2名，培養(yǎng)博士生5 名、碩士生 12名。承擔單位：重慶大學，中科院長春應用化學研究所，清華大學課題負責人：魏子棟主要學術(shù)骨干：劉長鵬，余丹梅、張新波，郭建偉經(jīng)費比例：15.3%課題2 貴金屬部分替代納米電催化劑的創(chuàng)制與催化活性及抗毒機理研究本課題針對貴金屬部分替代納米電催化劑的制備成本與毒化現(xiàn)象，圍繞提高納米電催化劑的利用率與耐久性，開展新型納米電催化劑的設計合成、構(gòu)效關(guān)系、抗毒機理等基礎研究，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供關(guān)鍵材料。主要研究內(nèi)容： (1) 核/殼催化劑的設計與合成：基于對內(nèi)核材料的表面物理、化學性質(zhì)(如：晶格參數(shù)、表面功能團、吸

38、附物種和穩(wěn)定劑)的分析，設計合成以非貴金屬或合金為內(nèi)核，以貴金屬或其多元合金為殼層的低載量貴金屬納米催化劑；借助外延生長、共還原、熱分解、表面活性劑覆蓋、取代反應、脫合金腐蝕等技術(shù)方法，實現(xiàn)球核和球殼的厚度、組成可控；考察核及殼層的組成對殼層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用和影響機制；通過電催化劑催化活性的評估，優(yōu)化合成方法與工藝參數(shù)。(2) 低載量貴金屬-非貴金屬復合催化劑的設計與合成：深入研究過渡金屬大環(huán)化合物(如：Fe(II)、Co(II)卟啉和酞菁)、MnO2/C等非貴金屬催化劑為載體，低載量貴金屬及合金催化劑的制備方法；探索非貴金屬催化劑的微觀結(jié)構(gòu)、微區(qū)組成、表面物理、化學性質(zhì)對貴金屬及合金顆粒生長、

39、穩(wěn)定機制及其影響規(guī)律；考察非貴金屬催化劑載體與低載量貴金屬催化劑相結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同作用和調(diào)控機制，進而提高復合催化劑的活性、穩(wěn)定性以及反應動力學過程的選擇性。(3) 貴金屬部分替代電催化劑的納米限域效應研究：通過在規(guī)整的納米碳材料(碳納米管和石墨烯)上定向創(chuàng)制缺陷位或摻雜，形成納米限域的環(huán)境和納米限域效應，降低貴金屬粒子尺寸，提高催化劑利用率；通過缺陷位的錨定作用，提高納米顆粒在碳載體上的穩(wěn)定性；利用載體/缺陷位和金屬顆粒之間的相互作用調(diào)變貴金屬顆粒的電子結(jié)構(gòu)，提高貴金屬的抗中毒性能、降低貴金屬的用量；深入研究在貴金屬/過渡金屬氧化物體系中的界面限域效應對抗中毒和穩(wěn)定性影響機制；探討利用Pd、Au

40、等進一步降低Pt貴金屬的用量。(4) 高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)合金納米晶的制備方法研究：深入研究hkk (hk)，hhl (hl)和hkl (hkl)類晶面形成演進機制，優(yōu)化制備條件，精細調(diào)控晶面指數(shù)(h、k、l的數(shù)值)；通過改變高指數(shù)晶面上的臺階原子密度和平臺寬度，改善合金電催化劑的催化性能；結(jié)合電化學原位紅外光譜檢測，對高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)納米晶表面修飾外來原子(如Au、Ru、Pb、Sb等外來原子)，阻斷毒性中間體CO的生成途徑，提高催化活性與抗毒化能力；發(fā)展新方法，減小高指數(shù)晶面鉑族金屬納米晶及合金納米晶催化劑的粒徑，提高貴金屬利用效率，實現(xiàn)高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)鉑納米催化劑的連續(xù)制備。(5) 貴金屬部分替代電

41、催化劑的穩(wěn)定性研究：鑒于貴金屬部分替代納米電催化劑的尺寸一般較小，納米粒子的團聚、流失現(xiàn)象嚴重。本課題將重點研究在較高溫度(120C以上)下、強酸或強堿環(huán)境中、較高電位下的氧化、腐蝕規(guī)律；考察電催化劑的微觀結(jié)構(gòu)、微區(qū)組成、合成方法等與穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系、影響因素、調(diào)控機制；闡明非貴金屬材料作為載體對低載量貴金屬催化劑的穩(wěn)定作用和機理，掌握催化劑穩(wěn)定化的調(diào)控方法和理論，制備高穩(wěn)定性的電催化劑。(6) 電催化劑的毒化機理與抗中毒能力研究：鑒于低載量貴金屬催化劑中貴金屬的用量較少，燃料氣和空氣中的雜質(zhì)和毒物的毒化現(xiàn)象嚴重，本課題將采用電化學-紅外光譜、電化學-質(zhì)譜、電化學-氣相色譜和電化學阻抗譜等多種

42、原位表征方法深入研究CO、CO2、H2S、SO2、NH3、HCOOH和其它有機小分子對納米電催化劑的毒化過程和機理；設計抗中毒較低貴金屬載量的催化劑；闡明電催化劑的組成、結(jié)構(gòu)與抗毒能力的內(nèi)在聯(lián)系及其影響因素，研制具有較高抗毒能力的低載量貴金屬電催化劑。研究目標：通過本課題研究，揭示貴金屬部分替代電催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)、尺寸、組成、形貌等與抗毒機制、耐久性之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律、電催化劑的中毒、失活機理；掌握創(chuàng)制具有較高催化活性、耐久性、抗CO、硫化物等毒化的貴金屬部分替代催化劑的制備技術(shù)、工藝參數(shù)及其調(diào)控演進方法，形成完整的理論體系與工藝流程，用于10kW動力燃料電池技術(shù)驗證。研制3-5種抗毒化的

43、貴金屬部分替代電催化劑，ORR活性達到0.44A/mg(PGM) (900mV, iR-free)；國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 60-80篇，申請發(fā)明專利 10-15項，培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人1-2名，培養(yǎng)博士生5 名、碩士生 12名。承擔單位：中科院大連化學物理研究所，廈門大學課題負責人：宋玉江主要學術(shù)骨干：田 娜，汪國雄，張建魯，陳聲培 經(jīng)費比例：21.0%課題3 新型固態(tài)電解質(zhì)膜的分子設計與離子傳輸機制研究本課題針對貴金屬替代動力燃料電池所需的新型電解質(zhì)膜，圍繞高溫缺水環(huán)境中的質(zhì)子傳導與高效氫氧根傳輸?shù)瓤茖W問題，開展堿性、高溫電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)設計、離子傳輸強化機制、低溫氧離子傳導薄膜、復合離

44、子導體與仿生離子導體的研究探索，為后續(xù)課題的開展奠定基礎。主要研究內(nèi)容：(1) 聚合物電解質(zhì)的離子傳輸機制與結(jié)構(gòu)模擬研究：針對H+/OH-傳導型聚合物電解質(zhì)的局部離子氛、分子鏈聚集結(jié)構(gòu)以及離子傳輸過程，建立相關(guān)的理論模型；采用量子力學計算對局部離子氛進行精確描述，揭示官能團的構(gòu)效關(guān)系；通過分子動力學模擬研究聚合物分子鏈的聚集結(jié)構(gòu)，闡明離子傳輸通道的形成機制；采用多體耗散粒子動力學計算模擬工況條件下的離子輸運遷移過程。(2) 高溫質(zhì)子交換膜的構(gòu)效關(guān)系與高效合成方法研究：研究在80oC以上缺水甚至無水條件下的質(zhì)子傳導機制，設計新型的質(zhì)子傳導官能團；設計具有穿插網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的含氟分子鏈，實現(xiàn)對膜材料疏水

45、/親水結(jié)構(gòu)微相分離程度的調(diào)控；系統(tǒng)研究影響新型質(zhì)子膜化學與機械穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)因素；考察含氟基團的高選擇性引入方法及影響因素；探討金屬催化的高效碳-碳成鍵與碳-氟成鍵等關(guān)鍵化學過程與機理，實現(xiàn)高溫質(zhì)子交換膜的高效合成。(3) 高溫堿性聚合物電解質(zhì)的分子設計與結(jié)構(gòu)調(diào)控研究：研究在80oC以上可穩(wěn)定工作的新一代堿性聚合物電解質(zhì)。設計具有全芳非共平面扭曲結(jié)構(gòu)的雜環(huán)主鏈，使聚合物具有較高的熱穩(wěn)定性和化學可修飾性；深入研究調(diào)控親水/憎水域微觀相分離的支鏈設計，使聚合物膜獲得具有較高離子傳輸性能的有序納米離子通道；考察聚合物抗溶脹能力的短程交聯(lián)官能團設計以及聚合物抗氧化的分子機制，實現(xiàn)高溫堿性聚合物電解質(zhì)

46、的結(jié)構(gòu)調(diào)控。(4) 低溫氧離子傳導薄膜的結(jié)構(gòu)設計與傳輸機理研究：研究在300-500oC條件下可實現(xiàn)氧離子傳導的無機薄膜材料。開展低溫氧離子導體載流子傳輸機制的計算與模擬。研究CeO2等材料的缺陷團簇及局域有序化對氧空位分布和遷移的影響，建立相應的理論模型。研究晶粒尺寸及晶體學取向?qū)﹄娊赓|(zhì)薄膜導電性能的影響，設計具有最適擇優(yōu)取向的膜結(jié)構(gòu)。完善低溫氧離子傳導薄膜的制備工藝與調(diào)控方案。(5) 復合離子導體與仿生離子導體的探索研究：研究離子液體-聚電解質(zhì)復合材料的結(jié)構(gòu)兼容性與協(xié)同離子傳導機理，探索新型非水H+/OH-傳導復合材料?？疾焖?堿性金屬氧化物的表面H+/OH-傳導行為，以及與聚合物電解質(zhì)高

47、效復合的化學方法。通過層狀結(jié)構(gòu)無機離子導體的構(gòu)效關(guān)系研究，設計定向離子傳導結(jié)構(gòu)，合成仿生離子導體，探索類生物體內(nèi)離子定向傳輸?shù)姆肿訖C理。研究目標：通過本課題研究，揭示堿性聚合物電解質(zhì)與高溫質(zhì)子交換膜的離子傳輸、氧化降解機制；建立新型聚合物電解質(zhì)膜的材料設計方案；完善具有穿插網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高溫聚合物電解質(zhì)膜與堿性電解質(zhì)膜的制備工藝以及調(diào)控方法；研制3-5種可直接用于技術(shù)驗證的新型固態(tài)電解質(zhì)膜，為新型堿性聚合物電解質(zhì)膜與高溫質(zhì)子交換膜的研究開發(fā)提供理論基礎和實驗依據(jù)。新型固態(tài)電解質(zhì)可在80oC以上穩(wěn)定工作，離子電導率高于0.05S/cm。高溫質(zhì)子交換膜可在120C以上穩(wěn)定工作，質(zhì)子電導率高于0.1 S

48、/cm。在國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 30-60篇，申請發(fā)明專利 10-15項，培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人1-2名，培養(yǎng)博士生5 名、碩士生 10名。承擔單位：武漢大學，中科院上海有機化學研究所，中科院大連化學物理研究所，清華大學 課題負責人：莊 林主要學術(shù)骨干：胡金波，區(qū)定容，劉佩芳，張佑杰經(jīng)費比例：15.8%課題4 有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與界面極化損失研究本課題針對膜電極內(nèi)部三相界面的形成穩(wěn)定機制與界面極化損失，圍繞強化傳輸遷移規(guī)律與高效能量轉(zhuǎn)化，開展有利于水、質(zhì)、熱、電傳輸遷移的多尺度、有序化膜電極的微-納結(jié)構(gòu)設計、模型建立、制備工藝等基礎科學研究，為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎與提供核心部

49、件。主要研究內(nèi)容：(1) 有序化膜電極微-納結(jié)構(gòu)設計與控制制備技術(shù)研究：通過電解質(zhì)膜、催化層、擴散層的模型分析，設計有利于質(zhì)子、電子、反應物、產(chǎn)物傳輸遷移的具有有序“通道”的膜電極微-納結(jié)構(gòu)，提出適宜的微-納米陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)；借助物理蒸鍍、化學氣相沉積、真空濺射、分子自組裝等方法制備有序化膜電極；完善以電解質(zhì)膜為基體有序化膜電極（CCM結(jié)構(gòu)）和以擴散層為基體的有序化膜電極（GDE結(jié)構(gòu)）的控制制備技術(shù)；實現(xiàn)界面兼容性良好的多層復合膜電極的批量制備。(2) 有序化膜電極三相界面形成穩(wěn)定機制與模型研究：通過電化學方法、譜學顯微技術(shù)、模型模擬等深入研究膜電極的微-納結(jié)構(gòu)、三相界面形成穩(wěn)定機制；建立多尺度

50、、多組分膜電極電化學反應與傳遞模型；考察膜電極內(nèi)部聚合物濃度、孔隙率、親水/疏水性、比表面等與電極反應界面的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律；確定不同離子傳遞特征下催化劑/電解質(zhì)/反應氣體三相界面的影響因素與演變規(guī)律。(3) 有序化膜電極的傳輸遷移行為與能量轉(zhuǎn)換效率研究：結(jié)合模型計算結(jié)果與現(xiàn)代表征技術(shù)，系統(tǒng)考察質(zhì)子、電子、反應物、產(chǎn)物傳輸遷移行為、影響因素以及強化傳輸機制；結(jié)合旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極、單體電池、電堆的性能測試，考察有序化膜電極電化學反應的能量轉(zhuǎn)換效率；闡明多孔電極與膜電極內(nèi)部水、質(zhì)、熱、電傳輸遷移規(guī)律；為多尺度、有序化膜電極的研制提供理論基礎與實驗依據(jù)。(4) 有序化膜電極的界面兼容性與極化損失研究：通過上

51、述研究工作的基礎上，深入研究有序化膜電極界面電化學行為和界面物理、化學兼容性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；考察有序化膜電極的界面結(jié)構(gòu)與電化學極化、濃差極化、歐姆極化的內(nèi)在聯(lián)系及其影響因素，藉此確定調(diào)控策略；闡明不同離子傳遞特征下的有序化膜電極的反應與傳遞特性；完善有序化膜電極界面極化損失的理論模型。(5) 堿性AEMFC與ET-PEMFC有序化膜電極研究：針對堿性AEMFC與ET-PEMFC，開展不同離子傳遞特征下的有序化膜電極的反應與傳遞特性研究；通過多相自組裝技術(shù)將催化劑載體和離子傳導粘結(jié)相組成富含有序排列，形成納米尺度和微米尺度的有序雙孔結(jié)構(gòu)，強化反應氣體、產(chǎn)物的傳質(zhì)過程?？疾觳煌ぷ鳁l件下，膜電極內(nèi)

52、部氣體單相流和氣-液兩相流的傳輸遷移速率；為堿性AEMFC與ET-PEMFC膜電極的研制提供必要的理論基礎與實驗依據(jù)。研究目標：深入理解催化劑/電解質(zhì)/反應氣體三相界面的形成穩(wěn)定機制；揭示膜電極的微-納結(jié)構(gòu)、孔隙率、親水/疏水性、比表面等與反應物、產(chǎn)物、中間體的傳輸遷移速率、強化傳輸過程的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律；建立多尺度、多組分膜電極電化學反應傳遞及其界面極化損失模型；闡明多孔電極內(nèi)部水、熱、質(zhì)、電傳輸遷移規(guī)律與高效能量轉(zhuǎn)化機制；研制可直接用于技術(shù)驗證的有利于質(zhì)子、電子、反應物、產(chǎn)物傳輸遷移的有序化膜電極；為有序化膜電極的批量制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 20-40篇，申請發(fā)

53、明專利 10-20項，培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人1-2名，培養(yǎng)博士生4 名、碩士生 10名。承擔單位：武漢理工大學，大連交通大學，中科院大連化學物理研究所課題負責人：木士春主要學術(shù)骨干：趙 紅，張海寧，王素力，周 利經(jīng)費比例：15.3% 課題5 基于新型電解質(zhì)膜高能效電堆結(jié)構(gòu)與一致性研究本課題針對基于新型電解質(zhì)膜的高能效電堆，圍繞電堆內(nèi)部強化傳輸過程，開展電堆水管理、熱交換、均勻性、一致性與實際工況下的動態(tài)響應特征及其耦合規(guī)律研究，通過具有代表性的堿性AEMFC電堆、ET-PEMFC電堆、鋅/空燃料電池電堆、DMFC電堆、SOFC電堆研制，完善高能效電堆結(jié)構(gòu)設計的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)，為開發(fā)高能效、高

54、一致性動力燃料電池系統(tǒng)提供理論基礎和實驗依據(jù)。主要研究內(nèi)容： （1） 高能效電堆結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化研究。根據(jù)不同電解質(zhì)膜燃料電池的工作條件與反應特性，結(jié)合流場密封等結(jié)構(gòu)功能部件，設計制備不同類型的電堆結(jié)構(gòu)；通過電堆內(nèi)部熱、質(zhì)管理的有效性研究，考察電堆的能量轉(zhuǎn)換效率；深入研究動態(tài)運行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其保障措施；探索診斷與自修復功能在電堆上的集成方法；建立電堆應力分析模型和電路阻抗模型，優(yōu)化電堆組裝工藝；結(jié)合防漏電、防漏液的安全性技術(shù)措施，完善高能效電堆結(jié)構(gòu)設計的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)。（2） 高能效電堆的一致性研究。分析電堆在設計、制備、組裝、操作過程中影響電堆一致性的敏感因素，建立電力燃料電池電堆一致性的理

55、論模型；通過電堆的放電性能與電堆內(nèi)部壓力、流場結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究，結(jié)合理論模型，闡明高能效電堆一致性的基本規(guī)律；研究動態(tài)加載過程中反應氣及其濕度響應特性對電堆均勻性、一致性的影響規(guī)律，藉此提高動力燃料電池電堆的比能量與比功率。（3） 雙極板的流場設計與膜電極界面兼容性研究。通過模型模擬、設計優(yōu)化具有不同流場結(jié)構(gòu)的雙極板；深入研究極板與擴散層界面區(qū)表面行為對質(zhì)、熱、電傳輸遷移的影響規(guī)律及調(diào)控措施；優(yōu)化膜電極的擴散層、極板材料、密封材料在不同電解質(zhì)與電位環(huán)境中的界面結(jié)構(gòu)；探索界面兼容耦合機制，完善降低界面阻抗、增加穩(wěn)定性的表面處理技術(shù)。（4） 堿性AEMFC電堆水熱管理研究。借鑒酸性質(zhì)子交換膜燃料電池

56、的成功經(jīng)驗，開展電堆水管理、熱交換、均勻性、一致性與實際工況下的動態(tài)響應特征及其耦合規(guī)律研究；結(jié)合堿性AEMFC電堆的工作特點，降低生成水造成的傳質(zhì)極化；量化空氣增濕條件，優(yōu)化膜電極與雙極板界面的表面能耦合，提高堿性燃料電池操作的穩(wěn)定性。（5） 高溫PEMFC電堆特性研究。根據(jù)ET-PEMFC特性（水以汽態(tài)形式存在，電堆內(nèi)流體呈現(xiàn)單相流，相應的流體阻力有所降低），采用單相流阻力降的裕度，設計傳質(zhì)強化的流場結(jié)構(gòu)，增加反應氣的利用率，提高燃料電池的效率；深入研究高溫燃料電池關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)功能部件的衰減腐蝕速率、啟停過程的溫度過渡段出現(xiàn)的冷凝水引起的傳質(zhì)等科學技術(shù)問題，建立有針對性的控制策略，保證燃

57、料電堆的高效運行。（6） 基于新型電解質(zhì)膜動力燃料電池電堆的性能與穩(wěn)定性考核。采用靜態(tài)伏安法、動態(tài)工況循環(huán)法、壽命加速法、環(huán)境適應性等評價方法對電堆的性能進行綜合評價；通過離線與在線測量手段，診斷燃料電池的狀態(tài)。制訂考核評價規(guī)范，測試評估不同新型電解質(zhì)膜燃料電池電堆的發(fā)電性能、能效指標、一致性和穩(wěn)定性指標參數(shù)。研究目標：建立電堆內(nèi)部物流分配、水熱平衡、阻力分布等的數(shù)學模型、優(yōu)化策略與技術(shù)方案；揭示電堆內(nèi)部水管理、熱交換、均勻性、一致性與實際工況下的動態(tài)響應特征的內(nèi)在聯(lián)系及其耦合規(guī)律；研制可直接用于技術(shù)驗證的PEMFC電堆：10kW，AEMFC電堆：10kW，Zn/Air電堆：1000W，DMF

58、C電堆：100W，LT-SOFC電堆：50W。國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 15-20篇，申請發(fā)明專利 10-20項，培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人1-2名，培養(yǎng)博/碩士生不少于6名。承擔單位：中科院大連化學物理研究所，清華大學課題負責人：孫公權(quán)主要學術(shù)骨干：裴普成，侯 明，孫 海，劉永峰經(jīng)費比例：22.1%課題6 10千瓦級新型燃料電池動力系統(tǒng)集成技術(shù)研究本課題針對10千瓦級新型燃料電池動力系統(tǒng)集成優(yōu)化，圍繞動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應行為及其耦合規(guī)律，開展動力燃料電池系統(tǒng)多相流水熱管理、建模仿真、一體化質(zhì)量、能量管理與控制理論等科學基礎研究，借助10kW動力燃料電池系統(tǒng)驗證技術(shù)的先進性與實用性。主要研究內(nèi)容：（1） 空壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)模型研究及空壓系統(tǒng)試制：建立系統(tǒng)集成模型，研究空壓操作參數(shù)對動力系統(tǒng)的發(fā)電效率、動力響應特性及水熱管理平衡等方面的影響，并進行敏感性分析；建立系統(tǒng)空壓操作參數(shù)與空壓機泵頭(形式及設計指標)、電機(功率、扭矩等關(guān)鍵參數(shù))等關(guān)鍵部件的特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)，指導空壓機的開發(fā)和優(yōu)化，同時研究空壓系統(tǒng)的壓力與兩輛控制技術(shù)及裝置。（2） 氫循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)模型研究及循環(huán)組件開發(fā)：鑒于燃料電池氫氣