国家重点基础研究发展计划.docx

国家重点基础研究发展计划.docx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—、立项依据本项目依据国家重点基础研究发展计划2011年重要支持方向一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,,,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J2009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:/2010/11-05/,PEMFC单体电池性能达到2A/cm DOEhydrogenprogram2010AnnualProgressReport. http:/production-4 PlatinumMetalsReview,52(2008)54;51(2007)155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。在关键材料方面:目前动力燃料电池阳极和阴极使用的鸽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彳()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7761万辆彳,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。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***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。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