為了減輕以化石燃料為基礎的傳統能源系統對環境造成的負面影響，我們需要進一步加強新型能源轉換技術的開發與應用。燃料電池因具備高效、低或零排放的特點，已成為當前最具應用前景的新型能源轉換技術之一。然而，燃料電池受制於過低的性能與過高的成本而仍未能廣泛應用，特別是質子交換膜燃料電池。燃料電池的性能和成本與其電極結構設計密切相關， 並且這種複雜的微納電極是由連續的電子相導體、質子相導體及質量相導體組成，所以優化電極結構極其困難。研究顯示，目前質子交換膜燃料電池中的催化劑利用率只有15%–20%，因此，仍有很大空間提升燃料電池的性能及降低其成本。本項目旨在探究納米結構電極中質子傳輸、電子傳輸及質量傳輸與電化學反應的耦合機制。對微納尺度傳輸規律的深入認知將會大大提升電池性能，並有助於研制高性能、結構可控的新型電極。

方法
我們以交叉學科的視角，結合電化學及工程熱物理學這種獨特的手段，解決了以下科學問題：（1）多相流動與電化學反應的耦合機制；（2）熱質傳遞與電化學反應的相互作用機理；以及（3）建立能夠準確刻畫燃料電池中實際物理化學過程的跨尺度理論模型。

主要發現與影響
我們以交叉學科的研究方法及策略，揭示了多相熱質傳遞與電化學反應相互作用的機理與規律，以及開發了高性能、結構可控的燃料電池新型電極。本項目的主要學術成果如下：

一、揭示了燃料電池中多相熱質傳遞與反應動力學的耦合機理。首先揭示了流道內多相流動模式與電流之間的固有關係；發現了由微尺度效應引起的瞬時毛細阻滯現象並揭示了其產生機理；明晰了氣泡形成機理和演變規律，並提出了考慮氣泡和流道特性的傳質系數概念及其與極限電流耦合的通用關係式，藉此可通過測量極限電流測出傳質系數，開創了多相傳質理論與電化學交叉融合的範例。

直接酒精燃料電池

二、發現了燃料電池中熱質傳遞固有的相互作用機理。該發現表明燃料濃度增大引起直接甲醇燃料電池性能相應提升的根本原因，不是前人所認知的燃料濃度增大導致的傳質強化，而是燃料濃度增大引起的電池溫度升高所導致的反應動力學加快。此發現首次證實了燃料電池熱質傳遞的固有耦合機制；導致了熱質傳遞優化匹配的非對稱電極的問世；揭示了燃料電池熱質傳遞與反應動力學的耦合機理。

直接酒精燃料電池的工作原理

三、構建了燃料電池中跨尺度多相熱質傳遞與電化學反應耦合的理論體系。該理論體系的建立是基於對多相熱質傳遞與電化學反應耦合機理、納米催化劑表面電化學反應機理、納米反應層質子／電子傳遞機理、微米擴散層傳質機理、毫米流道多相流動機理的新認識。新的理論體系為燃料電池中熱質傳遞和電化學反應耦合理論奠定了堅實基礎，並拓展了經典熱質傳遞理論的應用。

趙天壽教授
香港科技大學
機械及航空航天工程系
metzhao@ust.hk