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新能源产业

需求背景

（介绍技术需求背景情况，不超过1000字。） 燃料电池是将氢能可控地转换为电能的先进能源转换装置，在使用过程中，氢气和氧气通过气体扩散层分别进入电池阳极和阴极，氢气在阳极催化生成质子、质子穿过质子交换膜，到达阴极与氧反应生成水排出；电子从外电路输出电能。燃料电池效率高、零排放，是汽车、舰船装备等重要产业的下一代能源动力技术，市场前景巨大。 燃料电池主要部件包括膜电极组件（简称“膜电极”）和双极板，其中，膜电极是燃料电池的“芯片”，由催化层、质子交换膜、扩散层和密封结构组成，是燃料电池电化学反应的核心区域。 传统GDE技术，催化层厚（≥30μm），铂用量高；由于电化学反应单元与气体传质单元重合，催化效率低、性能低。新型CCM型膜电极与传统GDE型膜电极的差别在于催化层直接涂敷于质子交换膜上，催化层厚度小、成本低；且有效分离了电化学反应单元和气体扩散单元，解决了电化学反应单元和气体扩散单元功能需求的突出矛盾，大电流工作性能显著提升。因此，CCM型膜电极十余年来一直是国际燃料电池领域竞相开发的新一代燃料电池核心技术和高功率密度燃料电池国际前沿技术，也是丰田公司2014年底推出并获得巨大商业成功的Mirai燃料电池车的核心技术。 我国电动汽车、可再生能源发电等产业快速发展，亟需高性能的燃料电池技术提供动力、能量转换技术支撑。由于膜电极依赖进口，且高性能的膜电极对我国技术封锁，严重制约了相关产业的发展。我国燃料电池产业对低铂、高效膜电极关键材料有着重大战略需求，尤其对于催化剂高活性利用、超薄催化层结构制备、高通量气体扩散电极制备以及高稳定性膜电极连续化制备等技术瓶颈，需要开展低铂、高效CCM型膜电极制备技术攻关。但是，CCM型膜电极制备技术复杂度高、水/气管理难度大，相关技术被美国Gore、3M，英国JM、加拿大Ballard公司垄断，关键技术公开报道极少，技术无从借鉴。

需解决的主要技术难题

（详细说明当前需要解决的技术难题。不超过1000字。） 针对科技部提出的膜电极寿命技术指标：实际测试10000h（性能衰减≤2%），需要开展膜电极关键材料的结构强化技术，提升膜电极寿命。直接将催化层涂覆在质子交换膜上形成CCM结构，是新型CCM型膜电极的关键技术。但是，质子交换膜和催化层中质子交换树脂的磺酸根侧链温度承受能力≤125℃，远低于催化层/质子交换膜形成良好界面的热复合温度（160-200℃）。 质子交换树脂侧链的离子化保护可以大幅度增加树脂的热温定性，且温度承受能力与离子化效应相关，阳离子氨的保护可以使树脂侧链的热承受温度高于200℃。需要研究采用阳离子氨保护的160-200℃热转印方法和相关技术。

期望实现的主要技术目标

（详细说明技术需求预期达到的技术指标。不超过1000字。） 由于催化层中质子交换树脂的亲水性，导致催化层在大电流密度工作时生成水不易及时排除，疏水相的加入可以改善液态水的排出问题。但是，疏水剂如聚四氟乙烯（PTFE）的加入需要热处理温度达到主链软化温度点以上（≥350℃）。 基于质子交换树脂的离子保护技术，Na离子化方式将质子交换树脂的热稳定温度提高到400℃，可为憎水相聚四氟乙烯的添加及其形态控制提供可能。实现借助乳液聚合形成的聚四氟乙烯分散液胶束结构，采用相转移的方式将单分散Na化型质子交换树脂高分子转移到胶束中，形成疏水端面向胶束中心、亲水端面向胶束界面的结构，与催化剂混合形成催化剂料浆，通过涂布和350℃高温热处理形成催化层，并与质子交换膜热通过转印复合，获得兼具亲水相（液态水传质）和疏水相（反应气体传质）分相传质通道的结构，大幅度提高燃料气体在催化层的传质能力，亲疏水结构催化层燃料气体扩散阻力从50s/m下降到25s/m，最大发电电流由1A/cm2提高到3A/cm2以上  

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