【正文】 完成 聚合物電解質(zhì)膜與膜電極 研究的各項內(nèi)容與指標(biāo) 。 實際 工況條件下 聚合物電解質(zhì)膜與膜電極 的 測試評估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 聚合物電解質(zhì)膜 與有序化 膜電極 的極化損失模型研究與性能測試評估。 聚合 物電解質(zhì)膜 與有序化 膜電極 的結(jié)構(gòu)調(diào)控與離子傳輸遷移機制研究。 H+/OH傳導(dǎo)型聚合物電解質(zhì)膜及膜電極的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計與制備 方法研究 。 研制基于非貴金屬或低貴金屬催化劑動力燃料電池系統(tǒng) ： 10kW。 承擔(dān)單位 ： 中科院大連化學(xué)物理研究所，清華大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人 ： 孫公權(quán) 主要學(xué)術(shù)骨干 ： 裴普成，侯 明，孫 海，劉永峰 經(jīng)費比例 ： % 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(yīng)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(xué)基礎(chǔ)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。借鑒酸性質(zhì)子交換膜燃料電池的成功經(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(yīng)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。 承擔(dān)單位 ： 武漢理工大學(xué)，大連交通大學(xué) ，中科院大連化學(xué)物理研究所 課題負(fù)責(zé)人 ： 木士春 主要學(xué)術(shù)骨干 ： 趙 紅， 張海寧 ， 王素力 ， 周 利 經(jīng)費比例 ： % 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(yīng)特征及其 耦合規(guī)律 研究，通過具有代表性的堿性 AEMFC 電堆、 ETPEMFC 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(shè)計的基礎(chǔ)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(chǔ)和實驗依據(jù)。 主要研究內(nèi)容： (1) 有 序化膜電極微 納結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計 有利于質(zhì)子、電子、反應(yīng)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(xué)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(fù)合膜電極的批量制備?？疾焖?/堿性金屬氧化物的表面 H+/OH傳導(dǎo)行為，以及與聚合物電解質(zhì)高效復(fù)合的化學(xué)方法。 (3) 高溫堿性聚合物電解質(zhì)的分子設(shè)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)。本課題將重點研究在較高溫度 (120176。 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。 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。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 。 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 。 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。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。 （ 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 35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。 研究內(nèi)容（ 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 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(dǎo)與高效氫氧根傳輸?shù)瓤茖W(xué)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(shè)計與結(jié)構(gòu)調(diào)控 ； 低溫氧離子傳導(dǎo)薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳輸機理 ； 堿性聚合物電解質(zhì)有序氫氧根傳導(dǎo)通道的構(gòu)筑規(guī)律 和 高溫缺水條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)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(chǔ)。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(fù)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。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。從本質(zhì)上認(rèn)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(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 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(xué) 技術(shù) 問題、潛在的應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)驗證之間的關(guān)系如 下 ： 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 傳統(tǒng)的電極過程動力學(xué)建立在以二維平面電極為基礎(chǔ)的半無限擴散模型上，而燃料電池電極反應(yīng)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，電極反應(yīng)動力學(xué)受多種串并聯(lián)傳質(zhì)與納米尺度效應(yīng)的影響，成流機理非常復(fù)雜。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(dǎo)率，還需抑制水含量以提高尺寸穩(wěn)定性。在眾多的影響因素中，如何將電堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性與實際工況下的動態(tài)響應(yīng)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(biāo)。 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(shè)計與控制制備技術(shù) 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 ETPEMFC 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(chǔ)與提供核心部件。 （ 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(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(chǔ)和實驗依據(jù)。 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。為動力燃料電池電堆研究提供理論基礎(chǔ)與核心部件。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 。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 。 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)。 研 制 35 種具有較高活性 和穩(wěn)定性 的 S、 N、 B 元素?fù)诫s的 非貴金屬電催化劑；國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 6080 篇，申請發(fā)明專利 1015 項 ，培養(yǎng)中青年學(xué)術(shù)帶頭人 12 名，培養(yǎng)博士生 5 名、碩士生 12 名。C 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。設(shè)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(xué)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(shè)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(shè)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)的結(jié)構(gòu)調(diào)控。通過層狀結(jié)構(gòu)無機離子導(dǎo)體的構(gòu)效關(guān)系研究，設(shè)計定向離子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，合成仿生離子導(dǎo)體，探索類生物體內(nèi)離子定向傳輸?shù)姆肿訖C理。 (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(xué)方法、譜學(xué)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、多組分膜電極電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(yīng)氣體三相界面的影響因素與演變規(guī)律。 主要研究內(nèi)容： （ 1） 高能效電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究 。 （ 5） 高溫 PEMFC 電堆特性研究 。 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(yīng)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(shè)計指標(biāo) )、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(dǎo)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。國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 1520 篇，申請發(fā)明專利 1020 項，培養(yǎng)中青年學(xué)術(shù)帶頭人 12 名，培養(yǎng)博 /碩士生約 10 名。 重點開展 堿性O(shè)H傳導(dǎo) 型聚合物電解質(zhì) 膜、 高溫質(zhì)子交換膜的分子設(shè)計與合成方法研究。 深入研究聚合物電解質(zhì)膜內(nèi) 局部離子氛 、 官能團 、 聚合物分子鏈的聚集 狀態(tài)、離子傳輸遷移行為 ，闡明離子傳輸通 道的形成、穩(wěn)定機制；通過 穿插網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含氟分子鏈實現(xiàn) 高溫 膜親水 /憎