[01648352]长寿命燃料电池关键材料的设计与制备

该项目属于化学及非金属材料学科。质子交换膜燃料电池是将清洁能源可控地转换为电力的先进能源转换装置，是《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确优先发展的先进能源前沿技术，其难点在于复杂电化学条件下关键材料的衰减及其寿命问题。由质子交换膜两侧复合催化电极以及扩散电极组成的膜电极被称为燃料电池的“芯片”，是电化学能量转换的核心部件。项目针对膜电极关键材料在电化学条件下快速腐蚀导致燃料电池寿命不能满足产业需求等重大科学问题，在“国家自然科学基金”、“863”等项目的持续支持下，围绕膜电极关键材料的降解机理及其寿命优化策略开展了系统深入的研究工作，取得重大科学发现如下：1.围绕动态多相流耦合复杂电化学反应过程导致的质子交换膜物理、化学结构快速衰减问题，提出了“溶胀应力导致物理结构破坏”、“缺陷端基解压缩式解离导致化学分解”的结构衰减新理论；并测定出质子交换膜疲劳破坏应力阙值为2.23MPa。2.建立了“低溶胀纤维-离子交换树脂复合结构”的溶胀应力相关性和“多元醇碱性脱羧消除缺陷基团”新策略，指导了长寿命复合质子交换膜的制备，经国内外权威机构测试寿命优于商业膜4倍以上。3.围绕强酸性、高极化电压条件下贵金属Pt催化剂的快速衰减问题，建立了“贵金属溶解与离子交换高分子耦合结构”的相关性，指导了长寿命催化电极的制备，贵金属Pt催化剂衰减速度大幅降低。4.建立了燃料电池扩散电极的分形结构模型并研究了膜电极组装条件与水-气多相流的相关关系，从寿命角度优化了膜电极的工作条件。项目提出的膜电极衰减机理和寿命优化策略极大地推进了燃料电池长寿命关键材料的研究与应用化进程。项目在国际著名期刊上发表SCI论文117篇并被大量正面引用，20篇核心论文被Chem Rev等SCI杂志他引948次、单篇最高SCI他引152次，包括燃料电池领域学术权威Nicholas A.Kotov教授等多位该领域国际权威学者引用该项目工作，并给予了充分肯定和高度评价。