聚合物膜燃料電池催化層微觀模擬研究.pdf

1、催化層是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的重要組成部分之一,其結(jié)構(gòu)以及各物質(zhì)在催化層中的傳輸與電極反應(yīng)緊密相關(guān)。所以,了解催化層中的構(gòu)效關(guān)系對于提高PEMFC性能至關(guān)重要。目前的實驗分析表征方法對微觀尺度催化層中的構(gòu)效關(guān)系研究仍有很大的局限性,而數(shù)學(xué)模擬為此提供了重要手段。由于PEMFC多在常壓和80℃工作,氣液兩態(tài)的水都會存在于電池的陰極催化層中。水在催化層中的存在和傳輸會影響氧氣的濃度和傳遞,進而影響整個電池性能。而前人的有關(guān)模擬研

2、究中多忽略水的影響。本論文依據(jù)催化層微觀格點模型模擬研究了PEMFC陰極催化層中氣液態(tài)水并存時的PEMFC性能以及諸因素對催化層微觀結(jié)構(gòu)中水傳遞和電池性能的影響。
　　我們改進了現(xiàn)有C-IP兩相(Pt/C催化劑相為C相,離子聚合物和孔混合相為IP相)格點模型,對模型中Bruggeman修正式的氧氣有效擴散系數(shù)和孔中邊界條件進行了校正,使模型更接近離子聚合物和孔混合為一相的假定。通過模擬對比,說明有效擴散系數(shù)和邊界濃度的差異對電池性

3、能的影響不可忽略。應(yīng)用校正后C-IP模型,我們研究了離子聚合物分布方式、進料壓力以及離子聚合物電導(dǎo)率對電池性能的影響。
　　基于C-IP微觀格點催化層模型,我們首次模擬了氣液兩態(tài)水并存時PEMFC性能。通過對氧氣濃度分布和反應(yīng)速率分布的比較,說明了同時考慮催化層中氣液兩態(tài)水影響的必要性。模擬分析了液態(tài)水飽和度、氧氣濃度以及氧還原反應(yīng)速率等在陰極催化層中的分布情況和影響因素?？疾炝瞬煌潭取八汀鼻闆r下的電池性能以及IP相中離子聚合