【正文】 況運行過程中的動態(tài)響應(yīng)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(xué)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(shè)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(shè)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(xué)術(shù)刊物上 發(fā)表研究論文 200~300 篇，申請發(fā)明專利 50100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(chǔ)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(xué)問題： (1)燃料電池 多孔電極 反應(yīng)動力學(xué)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(shè)計及過程耦合規(guī)律。圍繞項目的總目標(biāo)和關(guān)鍵科學(xué)問題，借鑒其他 動力電池研究開發(fā) 的 成功經(jīng)驗，設(shè)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(shè)計與催化活性及耐久性研究； (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； (3) 新型固態(tài)電解質(zhì)膜 的分子設(shè)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(xué)、有機化學(xué)、量子化學(xué)、 電化學(xué)、材料科學(xué)、表面科學(xué)、化學(xué)工程等基礎(chǔ)理論為科學(xué)基礎(chǔ)，通過多學(xué)科的交叉融合開展關(guān)鍵科學(xué)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(xué)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(xué)問題，研制出新型堿性與高溫聚合物電解質(zhì)膜以及相應(yīng)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(xué)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(yīng)模型與控制策略 ；通過50W10kW 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(xué)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(biāo)。 關(guān)鍵材料研究 首先，通過貴金屬完全替代電催化劑的研究， 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(shè)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 研制 35 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(chǔ)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(shè)計方案；完善具有穿插網(wǎng)絡(luò)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 35 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(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)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(chǔ)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(xué)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(yīng)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(yīng)行為及其耦合規(guī)律研究； 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；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(xué)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(shè)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(shè)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，測試評估動力燃料電池系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，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(biāo)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(dān) 單位 前期研究工作 已經(jīng) 取得 的 重大進展 和面臨的科學(xué)技術(shù)瓶頸， 經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)論證，凝練關(guān)鍵科學(xué)問題 ， 設(shè)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 可操作性 。 項目承擔(dān)單位 前期研究工作基礎(chǔ)扎實 。本項目 承擔(dān)和參與 單位在國家自然科學(xué)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(dān)單位先后 完成轎車發(fā)動機 50 臺，客車發(fā)動機 3 臺。在 2020 年北京奧運會、 2020年美國加州燃料電池車示范項目、 2020 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 萬公里，得到國內(nèi)外專家及同行業(yè)認(rèn)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(xué) 儲備。 項目承擔(dān)單位具備 良好的 實驗條件 。本項目 承擔(dān)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所燃料電池工程中心 、 催化基礎(chǔ)國家重點實驗室 、 上海有 機化學(xué)研究所 有機氟化學(xué)重點實驗室 、 武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室、 廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點實驗室 、 重慶大學(xué)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(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室 、 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)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(chǔ)理論模型創(chuàng)新 本項目提出的燃料電池 多孔電極 反應(yīng)動力學(xué)理論，有望精細(xì)描述燃料電池多孔電極這一復(fù)雜體系的極化理論、成流 機理，是電極過程動力學(xué)的一個重要發(fā)展；基于量子化學(xué)的電催化劑設(shè)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(dǎo)；動力燃料電池系統(tǒng)在全工況運行過程中的動態(tài)響應(yīng)模型，對電池系統(tǒng)一體化設(shè)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(yīng)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(yīng)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(luò)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(yīng)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(yīng)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)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(shè)置 本項目圍繞總體目標(biāo)，針對關(guān)鍵科學(xué)問題和重點研究內(nèi)容，結(jié)合承擔(dān)單位和參與單位的工作基礎(chǔ)與研究優(yōu)勢，共計設(shè)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(shè)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(shè)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 新型固態(tài)電解質(zhì)膜 的分子設(shè)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(shè)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(chǔ)研究 ， 為后續(xù)課題的開展奠定理論基礎(chǔ)與提供關(guān)鍵材料。 主要研究內(nèi)容 ： (1) MeNx 型催化劑的理論設(shè)計與模擬 ：利用現(xiàn)代計算化學(xué)方法，通過理論模擬金屬 Me 與含 N 配體 (苯胺、吡咯、噻吩、卟啉等 )間形成的 MeNx 催化劑在酸、堿介質(zhì)中氧還原反應(yīng)（ ORR）的催化機理，在分子水平上探察 MeNx 上的催化活性位；考察 MeN 間相互作用對催化劑活性影響的量子化學(xué)本質(zhì)因素；藉此建立配體同 MeNx 活性、穩(wěn)定性的構(gòu)效關(guān)系，為深入理解 MeNx 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(shè)計與模擬 ：結(jié)合現(xiàn)代催化理論與量子化學(xué)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(xué)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)化提供理論依據(jù)。 (3) 貴金屬完全替代 催化劑的設(shè)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(yīng)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(shè)計、高效制備提供理論基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)提高催化劑的穩(wěn)定性。 (5) 基于納米材料的量子尺寸 效應(yīng)研究 ：