国家自然基金标书-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.docVIP

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 首席科学家： 孙公权 中国科学院大连化学物理研究所 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 中国科学院 教育部 一、关键科学问题及研究内容 新型动力燃料电池的产业化与商业化目前主要面临三方面的挑战，即铂基电催化剂价格昂贵、资源有限；碱性/高温电解质膜技术尚未突破、膜电极的性能有待提高；电堆的一致性、系统的一体化研究刚刚开始。这三方面的问题相互关联、相互制约，现有的理论和方法难以应对，大量的基础科学问题亟待解决。 本项目针对具体的应用目标—新型动力燃料电池，从实际需求出发，凝练出迫切需要解决的三个关键科学问题：（1）多孔电极反应动力学过程和电催化剂构效关系及电催化机理；（2）聚合物电解质膜的分子创制和膜电极有序化结构构筑及离子传输强化机制；（3）动力燃料电池电堆一致性和系统一体化结构设计与过程耦合规律。从本质上认识与理解新型动力燃料电池未来发展的技术需求和演进规律，为动力燃料电池在不同领域的应用奠定理论基础。 目前动力燃料电池面临的挑战、本项目拟解决的关键科学技术问题、潜在的应用领域以及技术验证之间的关系如下： 科学问题（1）：燃料电池多孔电极反应动力学过程和电催化剂构效关系及电催化机理 传统的电极过程动力学建立在以二维平面电极为基础的半无限扩散模型上，而燃料电池电极反应主要发生在三维纳米结构的多孔电极中，涉及气、液、固多相界面，电极反应动力学受多种串并联传质与纳米尺度效应的影响，成流机理非常复杂。因此，建立全面描述这种燃料电池多孔电极反应动力学过程的数学模型，无疑可为贵金属替代电催化剂的设计、有序化膜电极构筑以及降低高能效电堆的各种极化损失、促进大功率动力燃料电池系统的动态响应等提供理论基础。 此外，现有的Marcus电子转移理论是针对外球反应的非量子力学理论，无法描述涉及表面吸附的电催化过程（内球反应）。实际上，燃料电池电化学反应包括反应物分子在电极表面的吸附解离、电子转移以及中间体的复合、产物脱附等多个步骤，其微观基元过程与催化剂表面的反应势能面密切相关。 科学问题（2）：聚合物电解质的分子创制和膜电极有序化结构构筑及离子传输强化机制 采用聚合物电解质代替传统的液体电解质，使燃料电池的结构更加紧凑、功率密度显著提升。目前使用的聚合物电解质主要为Nafion质子交换膜，该膜含有连续的疏水的—(CF2)n—基团骨架和一定数量亲水链段磺酸基团—SO3H，具有质子电导率高、化学稳定性好的优点，但该膜工作时必须确保足够的水作为质子传导介质，溶胀现象严重。此外，该膜为质子交换膜，无法用于碱性环境。调控聚合物膜的微观结构，构筑有序离子传输通道是提高离子传输效率和减小水依赖的重要途径。特别是碱性聚合物电解质（APE），不但需要较高的OH-浓度以获得良好的离子电导率，还需抑制水含量以提高尺寸稳定性。 膜电极通常由电解质膜、催化层、扩散层构成，是燃料电池的“心脏”。电解质膜不但要快速传输离子而且要阻隔阴阳极“短路”，催化层是电极电化学反应发生的场所，电极反应沿着高度扩展的催化剂/电解质/反应气体三相界面进行，反应物、中间体、产物的传输迁移至关重要。扩散层必须使反应物均匀地分布到催化层的各个部分，产物快速移出膜电极。此外，固体聚合物电解质与电极表面的接触远不如液体电解质的充分，直接导致催化剂利用效率下降。因此，为了加速反应物、产物、中间体的传输迁移速率，改善电极动力学过程，提高有效的电化学反应面积以及膜电极性能，膜电极的微观结构（微-纳层次上的有序化）、界面极化现象等关键科学问题研究至关重要。 科学问题（3）：燃料电池电堆一致性与系统一体化集成设计及过程耦合规律 氢-氧燃料电池工作时两个电极分别消耗水和产生水，通过电渗拖曳水还可能从一个电极迁移至另一个电极；在高功率密度下放电，产生的热量与产生的电能大致相等，这些热量必须通过水介质等及时交换。燃料电池电堆通常由数十节乃至数百节单体电池组成，电堆内不同区域燃料、热量、电场的分布差异较大，电堆的性能与保存使用寿命与诸多因素有关，除了工况负载、环境温度、启动关闭、燃料供给等外部因素以外，电堆内部的水管理、热交换、单体电池的均匀性、单体电池之间的一致性、膜电极与双极板及其结构密封部件的兼容性等决定了动力燃料电池的一致性与能量转换效率。在众多的影响因素中，如何将电堆内部的结构特性与实际工况下的动态响应特征关联起来，一直是燃料电池领域梦寐以求的目标。通过模型研究结合实验验证，建立电堆内强化传输的数学模型，探讨电堆内部结构特性与动态响应特征的内在联系，为改善动力燃料电池电堆的一致性提供理论指导是动力燃料电池必须解决的科学问题。 动力燃料电池系统是一个多循环、非稳态、非线性的复杂系统，其动态响应特性不仅与系统内部电堆的性能