【導(dǎo)讀】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(yīng)對(duì)，大量的基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待解決。從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)與理解新型動(dòng)力燃料電池未來發(fā)展的技術(shù)需求和演進(jìn)。規(guī)律，為動(dòng)力燃料電池在不同領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。因此，建立全面描述這種燃料電池多孔電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，各種極化損失、促進(jìn)大功率動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等提供理論基礎(chǔ)。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。導(dǎo)介質(zhì)，溶脹現(xiàn)象嚴(yán)重。此外，該膜為質(zhì)子交換膜，無法用于堿性環(huán)境。膜電極通常由電解質(zhì)膜、催化層、擴(kuò)散層構(gòu)成，是燃料電池的“心臟”?；瘜拥母鱾€(gè)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(yuǎn)不如液體電解質(zhì)的充分，直接導(dǎo)致催化劑利用效率下降。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(chǔ)與提供關(guān)鍵材料。

　　

【正文】 的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)與制備 方法研究 。 重點(diǎn)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(jì)與合成方法研究。研究 在 80oC 以上缺水甚至無水條件下高溫膜的 H+傳 導(dǎo)機(jī)制，具有全芳非共平面扭曲結(jié)構(gòu)的雜環(huán)主鏈的堿性 膜的 OH傳導(dǎo) 行為， 建立相關(guān)的理論模型 ；探索新型 氧離子傳導(dǎo)的無機(jī)膜、復(fù)合離子導(dǎo)體與仿生離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與離子傳輸機(jī)理；構(gòu)筑有利于質(zhì)子、電子、反應(yīng)物、產(chǎn)物傳輸?shù)哪?電極納微結(jié)構(gòu)，考察三相界面形成與穩(wěn)定機(jī)制、 有序化膜電極界面電化學(xué)行為 等； 設(shè)計(jì)制備 新型 有序化膜電極 。 高能效電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與空壓系統(tǒng)試制 。設(shè)計(jì)制備不同類型的電堆結(jié)構(gòu) ， 考察電堆的能量轉(zhuǎn)換效率 、 動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其保障措施 ， 建立電堆應(yīng)力分析和電路阻抗模型，優(yōu)化電堆組裝工藝 ；在此基礎(chǔ)上， 建立單元及系統(tǒng)模型，研究空壓操作參數(shù)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率、動(dòng)態(tài) 響 應(yīng)特性及水 熱平衡管理等影響，通過關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析， 建 立系統(tǒng)空壓操作參數(shù)與空壓機(jī)泵頭、電 機(jī) 等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的聯(lián)系，研究空壓系統(tǒng)壓力與流量控制的 內(nèi)在聯(lián)系 。 1. 建立新型貴金屬完全 /部分替代電催化劑的合成方法； 2. 確立新型高溫和堿性聚合物 電解質(zhì)膜的 合成路線，建立相關(guān)的理論模型； 3. 構(gòu)筑有利于質(zhì)子、電子、反應(yīng)物、產(chǎn)物傳輸?shù)?膜電極納微結(jié)構(gòu) ； 4. 完成 高能效電堆的單 元結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)， 建立電堆應(yīng)力分析和電路阻抗模型 ； 5. 深刻理解 燃料電池 動(dòng)力系統(tǒng)空壓操作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律； 6. 在 國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 ： 4060 篇，申請(qǐng)專利： 1020 件。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 電催化劑 表面電子結(jié)構(gòu) 、 催化活性 、 構(gòu)效關(guān)系、催化 機(jī)理研究 。 在先前工作基礎(chǔ)上，采用電化學(xué)方法、現(xiàn)代譜學(xué)顯微技術(shù)、結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算， 深入研究 貴金屬部分 /完全替代電催化劑的幾何形貌、表面狀態(tài)、電子構(gòu)型、吸 /脫附行為以及電化學(xué)催化機(jī)理、構(gòu)效關(guān)系，為高活性電催化劑的制備、調(diào)控、優(yōu)化提供理論依據(jù)； 探索 新型 催化劑載體 、 載體 與 催化活性 組分的相互 作用 ， 定向創(chuàng)制缺陷位或摻雜物 ，形成納米限域環(huán)境 ； 完善催化劑的原位 /在線表征方法與測(cè)試技術(shù)；建立有效增強(qiáng)催化劑催化活性與穩(wěn)定性的 合成 /制備方法， 合理調(diào)控催化劑 的微觀結(jié)構(gòu) ，提高催化劑的 催化活性與 選擇性 。 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(jī)制研究。 深入研究聚合物電解質(zhì)膜內(nèi) 局部離子氛 、 官能團(tuán) 、 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(jī)制；通過 穿插網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含氟分子鏈實(shí)現(xiàn) 高溫 膜親水 /憎水結(jié)構(gòu)微相分離調(diào)控 ，通過 堿性聚合物電解質(zhì)的親水 /憎水域微觀相分離的支鏈 調(diào)控形成 有序納米離子通道 ，完善 相應(yīng)的理論模型 ；探索 CeO2等材料的缺陷團(tuán)簇及局域有序化對(duì)氧空位分布和遷移的影響；藉此 開展不同離子傳遞特征下的有序化膜電極的 電化學(xué) 反應(yīng)與 離子 傳遞特 性 研究 ， 確定催化劑 /電解質(zhì) /反應(yīng)氣體三相界 面的 形成 演變規(guī)律 。 高能效電堆一致性 研究與氫循環(huán)、增濕組件研制 。 通過 電堆 設(shè)計(jì)、制備、組裝、操作過程中敏感因素 的分析 ，建立 動(dòng)力 燃料電池電堆一致性的理論模型 ；深入研究 電堆的放電性能與內(nèi)部壓力、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)合理論模型，闡明高能效電堆一致性的基本規(guī)律 ；考察動(dòng)態(tài)加載過程中反應(yīng)氣及其濕度響應(yīng)特性對(duì)電堆均勻性、一致性的影響，藉此提高動(dòng)力燃料電池電堆的比能量與比功率 ； 針對(duì)堿性膜燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，研究氫循環(huán)操作參數(shù)對(duì)電池單元及系統(tǒng)性能的影響 ， 針對(duì)高溫膜燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，研究系統(tǒng)內(nèi)外水熱平衡與控制方法，考察增濕條件對(duì)單元性 能及系統(tǒng)性能的影響 。 1. 完善貴金屬部分 /完全替代電催化劑的幾何形貌、表面狀態(tài)、電子構(gòu)型、吸 /脫附行為以及電催化活性、催化機(jī)理等相關(guān)理論； 建立有效增強(qiáng)催化劑催化活性與穩(wěn)定性的 合成 /制備方法；篩選出 610種 貴金屬部分 /完全替代電催化劑； 2. 建立 官能團(tuán)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與離子傳輸效率 相關(guān)聯(lián)的理論模型，合成 堿性和高溫聚合物電解質(zhì)膜 24 種，低溫氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)膜 12種； 3. 深刻理解 催化劑 /電解質(zhì) /反應(yīng)氣體三相界面的 形成 演變規(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 ， 確定相應(yīng)的工藝路線； 4. 完善 電堆設(shè) 計(jì)、制備、組裝、操作過程中敏感因素 的分析方法 ，建立動(dòng)力 燃料電池 電堆一致性的理論模型 ； 5. 建立 氫循環(huán)操作參數(shù)控制模型，確定水熱管理策略，完善增濕組件設(shè)計(jì)方案； 6. 在 國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 ： 1060 篇，申請(qǐng)專利： 1020 件。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 酸 /堿介質(zhì)中 電催化劑 催化活性、抗毒機(jī)制研究與穩(wěn)定性測(cè)試評(píng)估。 在原子、分子層次上構(gòu)筑 貴金屬部分 /完全替代電 催化劑 體系 ， 完善 控制制備 技術(shù) ； 揭示電催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)、 粒徑尺寸、組成 形貌等與 催化活性、抗毒機(jī)制、 穩(wěn)定性與 耐久性之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律以及電催化劑中毒、失活機(jī)理；掌握 創(chuàng)制具有較高催化活性 與 耐久性 的 貴金屬 完全 替代催化劑 和高活性、 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)控方法 ； 在 酸 /堿介質(zhì)中 ，采用半電池和單體電池完成 電催化劑 的 催化活性、穩(wěn)定性等測(cè)試評(píng)估 ，為課題 4 和課題 5 提供新型電催化劑材料。 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(cè)試評(píng)估。 深入 研究 聚合物電解質(zhì)膜的離子傳輸遷移機(jī)制、 化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)因素，設(shè)計(jì) 制備 具有強(qiáng)抗溶脹能力的短程交聯(lián)官能團(tuán)的堿性電解質(zhì) 膜和具有 穿插網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含氟 高溫 膜 ； 探索 晶 粒尺寸及晶體 取向?qū)Φ蜏匮蹼x子薄 膜導(dǎo)電性的影響 ，設(shè)計(jì)定向離子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 構(gòu)建納 微尺度 下 有序排列 的膜電極結(jié)構(gòu)， 建立有序化膜電極極化損失模型 ； 優(yōu)化聚合物電解質(zhì)膜與有序化膜電極的制備工藝， 為課題 4 和課題 5 提供關(guān)鍵材料與核心部件。 膜電極界面兼容性 與 系統(tǒng) 增濕操作參數(shù)模型 研究 。 結(jié)合課題 課題 課題 3 的研究結(jié)果， 設(shè)計(jì)優(yōu)化具有不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的雙極板 ， 深入 研究 膜電極與雙極板 界面區(qū) 的 質(zhì)、熱、電傳輸遷移 規(guī)律及調(diào)控措施 ； 探索界面兼容耦合機(jī)制，完善降低界面阻抗、增加穩(wěn)定性的表面處理技術(shù) ； 開展新型燃料電池增濕操作參數(shù)的模型研究，考察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能與操作參數(shù)（溫 度、壓力、反應(yīng)氣）的關(guān)系； 完善 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的流程開發(fā)與單元設(shè)計(jì) 。 1. 完善貴金屬部分 /完全替代電 催化劑 相關(guān)的理論模型； 確定電催化劑批量制備工藝；提供一定數(shù)量的樣品； 2. 完善高溫和堿性聚合物電解質(zhì)膜相關(guān)的理論模型； 確定電解質(zhì)膜與膜電極批量制備工藝；提供一定數(shù)量的樣品； 3. 建立 膜電極與雙極板 界面區(qū) 的 質(zhì)、熱、電傳輸遷移 理論模型 及調(diào)控 方案； 完成 50W 10kW 電堆的流場(chǎng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)與界面兼容設(shè)計(jì)； 4. 建立新型燃料電池增濕操作參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；完善燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的流程開發(fā)與單元設(shè)計(jì)。 5. 在 國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 ： 4060 篇，申請(qǐng)專利： 1020 件。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 四 年 實(shí)際工況條件下電催化劑的 催化活性、穩(wěn)定性、耐久性及其影響因素研究。 以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向， “ 自上而下” 地研究在酸 /堿介質(zhì)中、強(qiáng)電場(chǎng)條件下，電催化劑的催化活性、抗毒化能力、穩(wěn)定性、耐久性與 其 表面組成、電子結(jié)構(gòu)、 量子尺寸效應(yīng) 等內(nèi)在聯(lián)系及其影響因素； 闡明 電催化劑在實(shí)際工況條件下對(duì)陽極/陰極反應(yīng)的催化機(jī)理、穩(wěn)定機(jī)制；優(yōu)化電催化劑的控制制備技術(shù)， 確定電催化劑的合成 /制備工藝，實(shí)現(xiàn) 貴金屬部分 /完全替代電催化劑的批量制備 ； 完善電催化劑的原位、在線表征方法與測(cè)試技術(shù)。 實(shí)際 工況條件下 聚合物電解質(zhì)膜與膜電極 的 測(cè)試評(píng)估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 結(jié)合課題 4 和 5反饋的驗(yàn)證結(jié)果， 重點(diǎn)開展在實(shí)際工況條件下高溫和堿性聚合物電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)改性、構(gòu)效關(guān)系等研究，完善電解質(zhì)膜氧化、降解的分子機(jī)制和高效合成方法； 優(yōu)化低溫氧離子傳導(dǎo)無機(jī)薄膜 與 仿生離子導(dǎo)體材料的制備工藝 ； 改進(jìn)有序 化 AEMFC 和 ETPEMFC 膜電極技術(shù)，提高膜電極 的放電 性能 與穩(wěn)定性， 完善以 高溫和堿性聚合物電解質(zhì)膜 為基體有序化膜電極 的工藝流程 ； 配合 課題 4 與課題 5， 批量 提供膜電極樣品 。 實(shí)際工況條件下 燃料電池 電堆水熱管理研究 與系統(tǒng)集成優(yōu)化 。 重點(diǎn)研究 ETPEMFC 和AEMFC 電堆 的 水管理、熱交換、均勻性、一致性與實(shí)際工況 條件下 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及其 耦合規(guī)律 ，完善極化損失模型；考察 高溫 和堿性燃料電池關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu) 與 功能部件的衰減腐蝕 規(guī)律， 啟停過程 對(duì)電堆性能的影響 ，建立 相應(yīng)的 控制策略 ； 針對(duì)不同的核心單元，進(jìn)行新型燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的流程開發(fā)與系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)；基于關(guān)鍵材料和核心部件的具體參數(shù)，建立動(dòng)力系統(tǒng)控制 與 能 量 衰減模型，開發(fā)動(dòng)力系統(tǒng)的控制單元 。研究結(jié)果反饋至課題 課題 課題 課題 4。 1. 完善在實(shí)際工況條件下，貴金屬部分 /完全替代電 催化劑 相關(guān)的理論； 優(yōu)化電催化劑制 備工藝，形成批量制備技術(shù)； 2. 完善在實(shí)際工況條件下， 高溫和堿性聚合物電解質(zhì)膜相關(guān)的理論模型 ； 優(yōu)化電解質(zhì)膜的制備工藝，形成批量制備技術(shù)； 3. 完善以 高溫和堿性聚合物電解質(zhì)膜 為基體有序化膜電極 的離子傳輸遷移理論、極化損失模型，優(yōu)化制備工藝，形成批量制備技術(shù)； 4. 建立 相應(yīng)的 控制策略 ，組裝 50W10kW 動(dòng)力燃料電池電堆 12 套； 5. 建立動(dòng)力系統(tǒng)控制 與 能量 衰減模型， 完成 動(dòng)力系統(tǒng)的控制單元 研制； 6. 在 國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 ： 4060 篇，申請(qǐng)專利： 1020 件。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 五 年 完成電催化劑研究的各項(xiàng)內(nèi)容與指標(biāo)。掌握 基 于過渡金屬合金、氧化物、氮化物、碳化物等貴金屬 完全替代電 催化劑 在堿性介質(zhì)中對(duì)陽極 /陰極反應(yīng)的催化機(jī)理、作用機(jī)制和具有殼核結(jié)構(gòu)表面富鉑催化劑、大環(huán)化合物催化劑、 高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)合金納米晶 等 貴金屬 部分替代電催化劑的 催化活性 、 耐久性、抗 CO、硫化物等毒化 機(jī)理、作用機(jī)制等規(guī)律，形成完整的理論體系；建立 有利于質(zhì)、熱、電傳輸遷移的 新型 電催化劑體系，完善貴金屬 完全 /部分替代 催化劑的制備 調(diào)控 方法與工藝 流程 ，實(shí)現(xiàn)催化劑的批量制備 。 完成 聚合物電解質(zhì)膜與膜電極 研究的各項(xiàng)內(nèi)容與指標(biāo) 。 完成 堿性聚合物電解質(zhì) 膜 與高溫質(zhì)子交換膜的離子傳輸 、氧化降解機(jī)制 、合成路線、 制備工藝以及調(diào)控方法 等研究 ，形成完整的理論體系； 總結(jié)低溫氧離子無機(jī)薄膜材料 與 仿生離子導(dǎo)體的高效制備方法； 總結(jié)前期研究結(jié)果，補(bǔ)充必要的實(shí)驗(yàn)； 建立 有利于質(zhì)、熱、電傳輸遷移的 新型膜電極 體系，完善 聚合物電解質(zhì)膜與有序化膜電極的 制備 、 調(diào)控 方法與工藝 流程 ，實(shí)現(xiàn)批量制備 。 完成 10kW 動(dòng)力燃料電池電堆 和系統(tǒng)集成 的 各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容與指標(biāo) 。 采用靜態(tài)伏安法、動(dòng)態(tài)工況循 環(huán)法、壽命加速法、環(huán)境適應(yīng)性等評(píng)價(jià)方法對(duì)電堆的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) ，形成完整的理論體系；完善 燃料電池電堆 與系統(tǒng) 的發(fā)電性能、能效指標(biāo)、一致性 、 穩(wěn)定 性 等數(shù)據(jù)資料， 制訂考核評(píng)價(jià)規(guī)范 與標(biāo)準(zhǔn)； 針對(duì)不同的動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)， 建立 全工況 條件下 動(dòng)態(tài)性能模擬 的 預(yù)測(cè) 方法 與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ， 課題總結(jié)驗(yàn)收 1. 完成電催化劑研究的各項(xiàng)內(nèi)容與指標(biāo) ，形成完整的理論體系與制備工藝；提供 610 種電催化劑樣品； 2. 完成聚合物電解質(zhì)膜與膜電極研究的各項(xiàng)內(nèi)容與指標(biāo)，形成完整的理論體系與制備工藝； 提供 24 種聚合物電解質(zhì)膜樣品和 12 種有序化膜電極樣品； 3. 完成 50W10kW 動(dòng)力燃料電池電堆 和系統(tǒng)集成的 各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容與指標(biāo)； 提供 12 套50W10kW 動(dòng)力燃料電池樣品，藉此 驗(yàn)證項(xiàng)目研究的先進(jìn)性和實(shí)用性； 4. 在 國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 ： 4060 篇，申請(qǐng)專利： 1020 件 。