2025-11-10
各学院（部）：
为更好开展新工科毕设项目，提升项目质量和水平，“质子交换膜燃料电池高温性能提升研究”新工科毕业设计项目现面向全校毕业班学生进行招募。现将有关事项通知如下。
一、项目背景、目的及意义
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种极具发展前景的能量转换装置，在汽车、潜艇、飞机、固定式发电等众多领域都有着巨大的应用潜力。提升燃料电池性能在推动燃料电池技术商业化和广泛应用中起着至关重要的作用。目前，质子交换膜燃料电池的运行温度一般在70-80℃左右，提升燃料电池运行温度对于提升燃料电池性能具有多重意义。通过提升燃料电池的运行温度，不仅可以提升催化反应活性，而且可以提升燃料电池抗CO中毒能力、改善水管理、简化散热系统、提高热电联产潜力。因此，提升燃料电池的运行温度，具有重要的研究意义。
二、项目已具备的条件
项目依托天津大学先进内燃动力全国重点实验室和国家储能技术产教融合创新平台，实验室具有一流的科研环境和实验设备。团队拥有与本项目研究相关的主要实验测试设备，具有完备的燃料电池实验系统，可完成材料合成-样品制备-物理表征-性能测试-结构调控等实验工作。相关设备包括燃料电池测试台、恒温恒湿环境仓、电化学工作站、扫描电子显微镜、高性能计算集群。这些条件可以为质子交换膜燃料电池高温性能提升研究提供良好的研究条件。
三、项目期限与目标
项目期限：2025年10月-2026年6月
项目目标：项目面向能源动力领域的碳中和战略目标，针对目前质子交换膜燃料电池运行温度上的限制因素，通过核心材料和结构设计的创新，开发高温低湿条件下稳定、高效运行的新型燃料电池，显著提高电池的功率密度、运行效率和长期耐久性，为质子交换膜燃料电池的商业化应用和氢能的大规模推广提供理论支撑和技术支持。
四、项目主要方向及任务
项目主要方向：质子交换膜燃料电池高温性能提升
项目主要任务：针对质子交换膜燃料电池高运行温度性能衰减问题及其应对方法，将研究工作分为质子交换膜（PEM）材料的创新与改性、催化剂的高温耐受性能提升、膜电极（MEA）的自增湿及传质优化、流场优化设计与传质增强、系统水热管理与耐久性策略研究五个方面，全方位提升高温条件下的燃料电池性能。
（1）质子交换膜（PEM）材料的创新与改性
提升高温性能的首要任务是解决膜在高温下的脱水失水问题。研究主要致力于开发具有高保水性和热稳定性的新型质子交换膜，例如将SiO2、TiO2等亲水性无机纳米粒子掺杂到传统的全氟磺酸膜中，制备有机-无机复合膜，使膜能够在高温低湿环境中仍保持足够的质子电导率，从而保证燃料电池的功率输出。
（2）催化剂的高温耐受性能提升
提高工作温度有利于电化学反应动力学，但也加速了催化层碳载体腐蚀和铂（Pt）溶解。研究内容包括开发更稳定的催化剂载体（如氧化物载体或石墨化碳），以及制备更耐热、耐电化学腐蚀的Pt合金催化剂，开发新的催化剂或催化层结构。
（3）膜电极（MEA）的自增湿及传质优化
在高温运行条件下，液态水极易汽化，对水管理构成巨大挑战。该部分研究重点是提升膜电极自增湿能力，通过在催化层（CL）或气体扩散层（GDL）中引入吸水性材料和微孔结构，增强对阴极生成水的吸收和保留，并将其高效地返送到阳极侧和质子膜上，保持膜的湿润。
（4）流场优化设计与传质增强
在高温运行条件下，反应物（氢气和氧气）和水分子的传质特性发生显著变化，水更容易以气态存在。因此，研究重点是设计和优化新型的流场结构，以确保在高温下反应气体能够均匀高效地输送到整个电极表面，同时有效排除蒸汽，避免局部热点或脱水。通过计算流体动力学模拟和实验验证，开展流场优化，实现低压降、高反应物利用率和理想的温度场/湿度场分布。
（5）系统水热管理与耐久性策略研究
设计高效且紧凑的散热和冷却系统，以精确控制电堆温度，防止局部过热，确保电池在目标高温范围内的热稳定性；制定适用于高温运行的启停机策略、负载变化策略，以减轻高温环境下频繁启停和高电位运行对MEA造成的不可逆损害，提升电池的长期运行稳定性和耐久性。
五、报名与联系方式
报名方式：访问如下网址或扫描下方二维码：https://v.wjx.cn/vm/htiIyvO.aspx#
相关课题细节以及其他未尽事宜请咨询该项目负责老师：
联系人：车志钊chezhizhao@tju.edu.cn
欢迎各位同学踊跃报名，期待您的加入！
