为了减轻以化石燃料为基础的传统能源系统对环境造成的负面影响，我们需要进一步加强新型能源转换技术的开发与应用。燃料电池因具备高效、低或零排放的特点，已成为当前最具应用前景的新型能源转换技术之一。然而，燃料电池受制于过低的性能与过高的成本而仍未能广泛应用，特别是质子交换膜燃料电池。燃料电池的性能和成本与其电极结构设计密切相关， 并且这种复杂的微纳电极是由连续的电子相导体、质子相导体及质量相导体组成，所以优化电极结构极其困难。研究显示，目前质子交换膜燃料电池中的催化剂利用率只有15%–20%，因此，仍有很大空间提升燃料电池的性能及降低其成本。本项目旨在探究纳米结构电极中质子传输、电子传输及质量传输与电化学反应的耦合机制。对微纳尺度传输规律的深入认知将会大大提升电池性能，并有助于研制高性能、结构可控的新型电极。

方法
我们以交叉学科的视角，结合电化学及工程热物理学这种独特的手段，解决了以下科学问题：（1）多相流动与电化学反应的耦合机制；（2）热质传递与电化学反应的相互作用机理；以及（3）建立能够准确刻画燃料电池中实际物理化学过程的跨尺度理论模型。

主要发现与影响
我们以交叉学科的研究方法及策略，揭示了多相热质传递与电化学反应相互作用的机理与规律，以及开发了高性能、结构可控的燃料电池新型电极。本项目的主要学术成果如下：

一、揭示了燃料电池中多相热质传递与反应动力学的耦合机理。首先揭示了流道内多相流动模式与电流之间的固有关系；发现了由微尺度效应引起的瞬时毛细阻滞现象并揭示了其产生机理；明晰了气泡形成机理和演变规律，并提出了考虑气泡和流道特性的传质系数概念及其与极限电流耦合的通用关系式，藉此可通过测量极限电流测出传质系数，开创了多相传质理论与电化学交叉融合的范例。

直接酒精燃料电池

二、发现了燃料电池中热质传递固有的相互作用机理。该发现表明燃料浓度增大引起直接甲醇燃料电池性能相应提升的根本原因，不是前人所认知的燃料浓度增大导致的传质强化，而是燃料浓度增大引起的电池温度升高所导致的反应动力学加快。此发现首次证实了燃料电池热质传递的固有耦合机制；导致了热质传递优化匹配的非对称电极的问世；揭示了燃料电池热质传递与反应动力学的耦合机理。

直接酒精燃料电池的工作原理

三、构建了燃料电池中跨尺度多相热质传递与电化学反应耦合的理论体系。该理论体系的建立是基于对多相热质传递与电化学反应耦合机理、纳米催化剂表面电化学反应机理、纳米反应层质子／电子传递机理、微米扩散层传质机理、毫米流道多相流动机理的新认识。新的理论体系为燃料电池中热质传递和电化学反应耦合理论奠定了坚实基础，并拓展了经典热质传递理论的应用。

赵天寿教授
香港科技大学
机械及航空航天工程系
metzhao@ust.hk