2012cb215500-g基于貴金屬替代的新型動(dòng)力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：基于貴金屬替代的新型動(dòng)力燃料電池關(guān)基于貴金屬替代的新型動(dòng)力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎(chǔ)研究鍵技術(shù)和理論基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：孫公權(quán)孫公權(quán)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所起止年限：2012.12016.82012.12016.8依托部門：中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院教育部教育部采用聚合物電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)，使燃料電池的結(jié)構(gòu)更加緊湊、功率密度顯著提升。目前使用的聚合物電解質(zhì)主要為Nafion質(zhì)子交換膜，該膜含有連

2、續(xù)的疏水的—(CF2)n—基團(tuán)骨架和一定數(shù)量親水鏈段磺酸基團(tuán)—SO3H，具有質(zhì)子電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但該膜工作時(shí)必須確保足夠的水作為質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)，溶脹現(xiàn)象嚴(yán)重。此外，該膜為質(zhì)子交換膜，無(wú)法用于堿性環(huán)境。調(diào)控聚合物膜的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑有序離子傳輸通道是提高離子傳輸效率和減小水依賴的重要途徑。特別是堿性聚合物電解質(zhì)（APE），不但需要較高的OH濃度以獲得良好的離子電導(dǎo)率，還需抑制水含量以提高尺寸穩(wěn)定性。膜電極通常由電解質(zhì)膜、催化層、

3、擴(kuò)散層構(gòu)成，是燃料電池的“心臟”。電解質(zhì)膜不但要快速傳輸離子而且要阻隔陰陽(yáng)極“短路”，催化層是電極電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，電極反應(yīng)沿著高度擴(kuò)展的催化劑電解質(zhì)反應(yīng)氣體三相界面進(jìn)行，反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物的傳輸遷移至關(guān)重要。擴(kuò)散層必須使反應(yīng)物均勻地分布到催化層的各個(gè)部分，產(chǎn)物快速移出膜電極。此外，固體聚合物電解質(zhì)與電極表面的接觸遠(yuǎn)不如液體電解質(zhì)的充分，直接導(dǎo)致催化劑利用效率下降。因此，為了加速反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體的傳輸遷移速率，改善電極動(dòng)力學(xué)過(guò)

4、程，提高有效的電化學(xué)反應(yīng)面積以及膜電極性能，膜電極的微觀結(jié)構(gòu)（微納層次上的有序化）、界面極化現(xiàn)象等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究至關(guān)重要。科學(xué)科學(xué)問(wèn)題問(wèn)題（3）：燃料）：燃料電池電堆一致性與系堆一致性與系統(tǒng)一體化集成一體化集成設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及過(guò)程耦合程耦合規(guī)律氫氧燃料電池工作時(shí)兩個(gè)電極分別消耗水和產(chǎn)生水，通過(guò)電滲拖曳水還可能從一個(gè)電極遷移至另一個(gè)電極；在高功率密度下放電，產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生的電能大致相等，這些熱量必須通過(guò)水介質(zhì)等及時(shí)交換。燃料電池電堆通常由數(shù)

5、十節(jié)乃至數(shù)百節(jié)單體電池組成，電堆內(nèi)不同區(qū)域燃料、熱量、電場(chǎng)的分布差異較大，電堆的性能與保存使用壽命與諸多因素有關(guān)，除了工況負(fù)載、環(huán)境溫度、啟動(dòng)關(guān)閉、燃料供給等外部因素以外，電堆內(nèi)部的水管理、熱交換、單體電池的均勻性、單體電池之間的一致性、膜電極與雙極板及其結(jié)構(gòu)密封部件的兼容性等決定了動(dòng)力燃料電池的一致性與能量轉(zhuǎn)換效率。在眾多的影響因素中，如何將電堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性與實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征關(guān)聯(lián)起來(lái)，一直是燃料電池領(lǐng)域夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。通過(guò)模