【正文】 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)中青年學術帶頭人 12 名，培養(yǎng)博 /碩士生不少于 6 名。 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)。 （ 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 。 （ 5） 高溫 PEMFC 電堆特性研究 。 （ 4） 堿性 AEMFC 電堆水熱管理研究 。 （ 3） 雙極板的流場設計與膜電極界面兼容性研究 。 （ 2） 高能效電堆的一致性研究 。 主要研究內(nèi)容： （ 1） 高能效電堆結(jié)構設計優(yōu)化研究 。 國內(nèi)外核心刊物發(fā)表研究論文 2040 篇，申請發(fā)明專利 1020 項 ，培養(yǎng)中青年學術帶頭人 12 名，培養(yǎng)博士生 4 名、碩士生 10 名?？疾觳煌ぷ鳁l件下，膜電極內(nèi)部 氣體單相流和氣 液兩相流的傳輸遷移速率 ；為堿性 AEMFC 與 ETPEMFC膜電極的研制提供必要的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)構穩(wěn)定性；考察有序化膜電極的界面結(jié)構與電化學極化、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。 (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、模型模擬等深入研究膜電極的微 納結(jié)構、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。 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 主要學術骨干 ： 胡金波，區(qū)定容，劉佩芳 ，張佑杰 經(jīng)費比例 ： % 課題 4 有序化膜電極微 納結(jié)構構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件。C 以上穩(wěn)定工作，質(zhì)子電導率高于 S/cm。 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 。通過層狀結(jié)構無機離子導體的構效關系研究，設計定向離子傳導結(jié)構，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。 (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 。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。開展低溫氧離子導體載流子傳輸機制的計算與模擬。設計具有全芳非共平面扭曲結(jié)構的雜環(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)的結(jié)構調(diào)控。 (2) 高溫質(zhì)子交換膜的構效關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)構的含氟分子鏈，實現(xiàn) 對膜材料疏水 /親水結(jié)構微相分離程度的調(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 氟成鍵等關鍵化學過程與機理，實現(xiàn)高溫質(zhì)子交換膜的高效合成。 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 主要學術骨干 ： 田 娜，汪國雄，張建魯，陳聲培 經(jīng)費比例 ： % 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)構設計、離子傳輸強化機制、低溫氧離子傳導薄膜、復合離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。 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、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、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 技術驗證。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、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。 (5) 貴金屬部分替代電催化劑 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。 (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，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 等進一步降低 Pt 貴金屬的用量。 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)。 研 制 35 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 6080 篇，申請發(fā)明專利 1015 項 ，培養(yǎng)中青年學術帶頭人 12 名，培養(yǎng)博士生 5 名、碩士生 12 名。 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)構與催化活性的構效關系；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；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)。 (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)構構建方法；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。 (3) 貴金屬完全替代 催化劑的設計 ：在原子、分子層次上構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鍵影響因素，為陽極非貴金屬催化劑的結(jié)構設計、高效制備提供理論基礎和實驗依據(jù)。 主要研究內(nèi)容 ： (1) MeNx 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、卟啉等 )間形成的 MeNx 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 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本質(zhì)因素；藉此建立配體同 MeNx 活性、穩(wěn)定性的構效關系，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)。每個課題相對獨立、各有側(cè)重、突出創(chuàng)新與特色，各課題之間相互關聯(lián) 、相互促進、有機地構成項目整體。 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)，可直接驗證技術的先進性與實用性。 (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。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 。 項目承擔單位具備 良好的 實驗條件 。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)認可。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 。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 技術方案具有 較強的 可操作性 。 項目 目標明確、技術方案具有可操作性 。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，可以直接驗證研究技術成果的先進性與實用性。 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)、增濕等關鍵單元的模型參數(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)構設計方案 以及優(yōu)化控制策略，為技術成果的驗證提供動力燃料電池系統(tǒng)。為動力燃料電池電堆研究提供理論基礎與核心部件。 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、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、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 種可直接用于技術驗證的貴金屬完全替代和部分替代高效電催化劑。 （ 1） 技術途徑 本項目的研究是沿著關鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成、成果驗證這一技術途徑展開的，通過關鍵科學技術問題的深入研究與創(chuàng)新突破，實現(xiàn)項目的總目標。 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鍵科學問題研究與創(chuàng) 新。從關鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成 3 個層次上凝練出 3 個關鍵科學問題： (1)燃料電池 多孔電極 反應動力學過程和電催化劑構效關系及電催化機理； (2) 聚合物電解質(zhì)的分子創(chuàng)制和膜電極有序化結(jié)構構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。 （ 7） 在國際核心學術刊物上 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。 （ 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驗證的 10k