课题设置直接醇类燃料电池研究组.doc

国家重点基础研究发展计划 （973计划） 项目计划任务书 项目编号：2012CB215500 项目名称：基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究 中华人民共和国科学技术部制 2011年10月  本项目依据国家重点基础研究发展计划2011年重要支持方向—能源领域中的高性能动力电池的基础研究：“探索基于贵金属替代的新概念燃料电池的理论基础和关键技术，研究新电解质与正负极材料，发展低成本、高效率和稳定可靠的燃料电池及系统”，开展基于贵金属替代的新型动力燃料电池理论基础和关键技术研究。本项目的立项依据阐述如下： 经济、社会与国家安全的重大需求 随着国民经济的持续高速发展，我国能源消费量急剧增长。2010年，我国石油产量约为2.03亿吨，进口量则为2.39亿吨，对外依存度高达54%，已经超过国际警戒线（50%）。依目前发展态势，至2020年，石油对外依存度可能超过70%，我国经济、社会的发展和国家安全将受到严重挑战。我国汽车行业近年发展势头强劲。2010年，我国汽车产量约为1800万辆，已成为全世界最大的汽车生产和消费国，汽车业原油消费量超过我国原油总量的30%。业内人士估计，至2020年，我国汽车保有量高达2亿辆，道路交通燃油消费量无疑将持续攀升。 我国环境污染治理近年成效显著，然而，机动车辆污染物的排放量却与日俱增，2009年，全国机动车污染物排放量为5143万吨，其中一氧化碳为4019万吨、碳氢化合物为482万吨、氮氧化物为583万吨、颗粒物为59万吨，机动车尾气排放已经成为大中城市空气污染的主要来源。 我国国民经济和社会发展“十二五”规划纲要明确指出：“面对日趋强化的资源环境约束”，必须“加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式”。 发展高效节能、环境友好的新型电动车技术，不仅可以降低我国石油消费量、减少石油对外依存度，而且还可以大幅减少一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒粉尘等污染物的排放量。研究开发新型动力燃料电池可“加快转变经济发展方式”、“培育发展战略性新兴产业”，国家需求迫切、势在必行。 动力燃料电池技术发展的迫切需求 动力燃料电池研究目前主要集中在氢-氧质子交换膜燃料电池（PEMFC）上，国内外投巨资研究开发动力PEMFC电源，电池的性能、稳定性得到大幅提升，制备成本显著下降。2010年，美国能源部（DOE）氢能计划年度进展报告披露：采用3M公司制备的新型聚合物电解质膜和有序化膜电极，PEMFC单体电池性能达到2A/cm2以上，用于交通运输的动力PEMFC系统成本由$275/kW（2002年）降低到$51/kW（2010年）。DOE部署的152辆燃料电池电动车，总行驶里程超过280万英里。近年来，我国动力PEMFC电源技术研究也取得了长足进展，自主研究开发的燃料电池电动车已先后在北京奥运会、上海世博会期间进行了多次示范运行，故障率显著降低。 然而，目前动力燃料电池的大规模产业化与商业化依然面临诸多挑战，主要集中在以下三个方面。 （1）在关键材料方面：目前动力燃料电池阳极和阴极使用的铂基电催化剂价格昂贵，而且资源有限。按照美国能源部2010年度报告的性能指标（Pt用量0.3g/kW）计算，一台50kW电动车的动力燃料电池需15g贵金属Pt，2010年全球汽车产量大约为7761万辆，如果全部采用动力燃料电池，贵金属Pt的年需求量则为1160吨，远远超过全世界Pt的年产量（约为200余吨），研究开发基于贵金属替代的电催化剂已迫在眉睫。 （2）在核心部件方面：膜电极是燃料电池的“心脏”，直接影响燃料电池的性能与稳定性。目前膜电极使用的电解质膜主要是美国杜邦公司生产的全氟磺酸（Nafion系列）膜，该膜价格昂贵，且无法在碱性和高温环境下工作。膜电极的制备很大程度上依靠经验，微观结构无序、性能与稳定性亟待提高。 （3）在系统集成方面：动力燃料电池电堆通常由数十片乃至数百片单体电池组成，电池系统由诸多结构部件和功能部件构成，作为电动车动力电源，燃料电池必须经历频繁启停、快速响应、温度变化、冲击振动等实际工况的严峻考验，电堆的一致性与系统的一体化与实际需求相差甚远。 新型动力燃料电池技术只有摆脱对贵金属Pt的高度依赖，开发新型电解质膜，解决电堆一致性与系统一体化等关键问题，才能实现跨越式发展。而这些关键问题的解决迫切需要基础理论与核心技术的创新与突破。 项目研究的科学意义 摆脱贵金属Pt等资源限制目前可能有两条途径，一是采用碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)，二是采用高温质子交换膜燃料电池(ET-PEMFC)。 在碱性环境中，过渡金属Fe、Co、Ni及其合金、活性碳、尖晶石型和钙钛矿型金属氧化物可分别用作阳极、阴极的电催化剂，氧还原反应（ORR）速率快、电池开路电压高、腐蚀作用较小。采用碱性固态聚合