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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。）   由于膜电极寿命测试耗时太长，可以采用计算机模拟技术预测其寿命，需要建立涵盖催化剂、离聚物、质子交换膜等关键材料的性能衰减预测模型，性能衰减预测误差≤10%。提高性能的关键点气体扩散层由多孔碳纤维基体（简称炭纸）及其表面导电炭黑/疏水树脂微孔层（简称微孔层）构成，其排水透气能力是膜电极高功率密度发电的保障。相对于传统燃料电池电堆的功率密度***，新一代高性能电堆的功率密度需要达到3kW/L才能满足车载产业化需要，此时膜电极电流密度3A/cm2、功率密度***，相当于扩散层排水能力达到110L/min·m2、并扩散500L/min·m2的空气到达催化剂表面，气、液体反向高通量传质难度极大。我国燃料电池扩散层与国际差距较大，膜电极功率密度＜1W/cm2，低于***的国际先进水平、不能满足产业化需要。  

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。） 在扩散层气液两相流传质与结构设计中引入分形理论，对催化层与气体扩散层中气体传输与液态水动态过程进行全体系的计算模拟，并与实验结果相对照，发现高电流密度工作时（≥3A/cm2），气体传输与液态水排除的最优结构。 （1）优化气体扩散层多孔纤维基材（炭纸）保持较高的孔隙率（≥75%以上）； （2）实现微孔层法向孔隙率从催化层侧向双极板侧递增、形成梯度结构，微孔层内部形成相差1个数量级的双孔结构，其中大孔孔隙在300-400nm左右，起到大孔用于液态水快速排出、小孔用于气体快速传输的作用。  

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