项目目标

本项目拟从燃料电池结构特性出发，建立跨尺度能质传输与电化学反应耦合的系统理论，从而制备出能协同实现电子、质子和分子的高效传输并具有高活性、高稳定性的有序化膜电极，并实现50 kW燃料电池的组装和测试，使其铂载量低达0.125 mg/cm²，功率密度高达2 W/cm²，且运行时间长达5000 h。

项目背景

质子交换膜燃料电池所使用的催化剂铂，其昂贵的价格严重制约了燃料电池的商业化应用。因此开发具有高性能、低成本的铂基催化剂并最大化提高其利用率对推动燃料电池的发展具有重大意义。此外，燃料电池中的电化学反应过程因受到三相界面和传输等诸多因素的影响，各相的协同传输主要通过膜电极实现，然而目前的膜电极内电子、质子、气体和水等物质的传输通道均处于无序状态，存在较大的电化学和浓差极化，制约着膜电极的大功率放电。  

项目特色和创新点

1. 理论方面：构建跨尺度能质传输与电化学反应耦合的完整理论，指引高效电极的设计和制备。
2. 实验方面：提出电极有序化的设计思路，实现各组分的协同传输及反应活性最大化。

项目成果

1. 建立了多尺度耦合的多物理场电池模型。
2. 制备了铂、离子聚物分布均匀的多孔碳载体的膜电极，有效提高了铂的利用率，并降低高电流密度下的局部传输阻力，提高了燃料电池功率密度；
3. 发明了一种结构简单、提高效率的膜电极CCM单片喷涂装置；
4. 制备了高活性、高稳定性氧还原催化剂，研究了催化剂的的形貌与成分对催化活性的影响。发明了一种定向有序气体扩散层，能够有效协同提高电子、气体及水分的传输，从而提高燃料电池的性能。