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...
