催化層厚度對質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、催化層作為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的關(guān)鍵組成部分。因?yàn)榫徛碾娀瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，陰極催化層是電池極化發(fā)生的主要部件。本文建立了陰極催化層的一維宏觀均相模型,并據(jù)此模擬計(jì)算了PEMFC在全操作電流范圍內(nèi)的功率密度曲線，比較了催化層中氧氣濃度、氧還原反應(yīng)速率和陰極過電位的分布。本文還研究了離聚物相體積分?jǐn)?shù)、孔隙中水的相態(tài)、離聚物分布和催化層和氣體擴(kuò)散層界面平整度對電池性能的影響。
　　陰極催化層的厚度是一

2、個(gè)和電池的活化極化、歐姆極化和濃差極化都密切相關(guān)的參數(shù)。其不僅影響著催化層內(nèi)部的物質(zhì)和電荷傳遞過程，還關(guān)乎催化層內(nèi)催化活性面積的大小。因此本文以提高電池輸出功率為目標(biāo)，對催化層的厚度進(jìn)行了優(yōu)化。催化層厚度采用兩種變化方式：一是變化單位面積催化層內(nèi)的Pt載量；二是變化Pt在碳載鉑（Pt/C）催化劑顆粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這兩種變化方式均能確保催化層的厚度改變而其中各相的體積比不變。
　　本文考察了由單位面積催化層中的Pt載量來變化催化層厚

3、度對PEMFC性能的影響，并考察了催化層孔隙中水的相態(tài)以及離聚物相體積分?jǐn)?shù)對催化層厚度優(yōu)化以及電池性能的影響。催化層孔隙中水由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)使得限制PEMFC性能的最主要因素由催化層中的催化活性面積大小變?yōu)檠鯕獾膫髻|(zhì)阻力。而離聚物相體積分?jǐn)?shù)的增加使歐姆極化減弱，卻使?jié)獠顦O化增強(qiáng)。
　　通過改變Pt在Pt/C顆粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化催化層厚度時(shí)，若催化層孔隙中水為液態(tài)，最薄的催化層因具有最小的傳質(zhì)阻力和最大的催化活性面積始終令PEMFC在