质子交换膜燃料电池阴极侧多孔扩散材料内两相传输特性

摘要

由于传统的化石能源效率低下且会造成严重的环境污染问题，发展高效、清洁的绿色能源已受到各国政府的重视。燃料电池作为一种能够直接将化学能转化为电能的能源转化装置，因具有高效、无污染以及燃料多样化等优点，在包括汽车、电站、航空航天等领域有着广泛的应用前景。在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池因其常温运行、快速启动、结构紧凑等优点，已受到越来越多的关注。
　　 质子交换膜燃料电池主要由双极板、气体扩散层、催化层以及质子交换膜所构成。在电池阳极侧，氢气被分解为电子和质子。而在阴极侧，氧气则是与从阳极传输过来的质子以及电子发生反应生成热和水。由于氧气的还原反应速率比氢气的氧化反应速率低很多，所以质子交换膜燃料电池的性能损失主要在阴极侧发生。此外，在阴极产生的水会在气体扩散层和催化层中凝结生成液态水。由于液态水会占据多孔层中的空间部分，因而阻碍氧气传输，使得电池性能下降。因此，了解电池阴极侧多孔层内的传输反应过程可帮助优化电池结构，提高电池性能。目前，已有许多研究学者对此进行数值计算模拟。但是这些模拟均基于宏观方法，因而不能反应多孔材料的微观结构对传输过程的影响。由于这些宏观模型的不足，本文主要利用孔隙网络模型从孔隙尺度上揭示质子交换膜燃料电池阴极侧气体扩散层和催化层内的传输反应过程。主要的研究内容和结论如下：
　　 ①采用孔隙网络模型分析了气体扩散层内氧气传输过程。结果表明减小气体扩散层的各向异性和各向不均匀性以及增加连通性可加强氧气的传输。根据计算和实验结果，拟合出新的计算氧气有效扩散系数关系式。
　　 ②采用孔隙网络模型分析了由憎水和亲水孔隙构成的混合润湿气体扩散层内的两相传输过程。结果表明存在一个最佳亲水孔隙比例使得极限电流密度最大。同时还发现采用非均匀混合润湿气体扩散层可进一步增加电池性能。
　　 ⑧采用孔隙网络模型分析了微孔层和进口边界对双层气体扩散层内液相分布的影响。结果表明在有微孔层存在条件下，气体扩散层内液相饱和度会下降，但下降的程度和进口边界相关。气体扩散层的液相饱和度随着微孔层厚度横向配位数的增加以及纵向配位数和进口覆盖率的减小而下降。
　　 ④采用孔隙网络分析了微孔层结构，如微孔层厚度和缺陷，对双层气体扩散层传输系数的影响。结果表明随着微孔层厚度增加，液相渗透率上升，但氧气有效扩散系数下降。随着缺陷宽度增加，液相渗透率增加，并且在液相饱和度较高时，氧气有效扩散系数也会增加，但在液相饱和度较低时变化很小。同时还发现，在液相突破时刻，对于没有缺陷的双层气体扩散层，在微孔层和扩散层界面处，液相饱和度陡升，且随着微孔层厚度增加，液相渗透率和氧气有效扩散系数均会下降。然而，对于有缺陷的双层气体扩散层，在微孔层和气体扩散层界面处，液相饱和度陡降，且随着微孔层宽度增加，液相渗透率增加，但氧气有效扩散系数降低。
　　 ⑤采用孔隙网络模型分析了催化层中的传输反应过程，研究了催化层结构对电池性能的影响。结果表明随着催化层厚度和Nafion膜厚度的减小，电池电压在低电流密度时下降，在高电流密度时增加。同时还发现增加催化层中Nafion膜的质子传导率可提高电池性能，并且在高电流密度时，非均匀分布Nafion膜的催化层的性能更好。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 燃料电池多孔材料内传输反应过程研究现状

1.2.1 气体扩散层的传输参数

1.2.2 气体扩散层内两相流动

1.2.3 催化层内传输过程

1.3 本论文的主要工作及创新

1.3.1 已有研究工作不足

1.3.2 本文主要研究内容

1.4 本论文的结构

2 孔隙网络模型及验证

2.1 引言

2.2 单相传输孔隙网络模型

2.3 两相传输孔隙网络模型

2.4 两相传输孔隙网络模型实验验证

2.4.1 软光刻加工

2.4.2 实验步骤

2.4.3 实验结果

2.5 结论

3 气体扩散层结构对氧气传输过程的影响

3.1 引言

3.2 孔隙网络

3.2.1 孔隙网络构建

3.2.2 氧气传输过程

3.2.3 计算步骤

3.3 结果和分析

3.3.1 气体扩散层尺寸的影响

3.3.2 气体扩散层各向不均匀性的影响

3.3.3 气体扩散层连通性的影响

3.3.4 气体扩散层各向异性的影响

3.4 有效扩散系数关联式

3.4.1 函数f(ε，Φ)

3.4.2 函数g(s，Φ)

3.5 本章小结

4 混合润湿气体扩散层内两相传输过程

4.1 引言

4.2 孔隙网络

4.2.1 孔隙网络构建

4.2.2 初始和边界条件

4.2.3 液相侵入过程

4.2.4 气相传输过程

4.3 结果和分析

4.3.1 亲水孔隙均匀分布时两相传输特性

4.3.2 亲水孔隙非均匀分布时两相传输特性

4.4 本章小结

5 微孔层对双层气体扩散层内液相分布的影响

5.1 引言

5.2 双层结构孔隙网络

5.2.1 双层结构孔隙网络构建

5.2.2 液相侵入过程

5.2 结果和分析

5.2.1 微孔层存在的影响

5.2.2 进入点尺寸的影响

5.2.3 微孔层厚度的影响

5.2.4 微孔层润湿性的影响

5.2.5 微孔层横向配位数的影响

5.2.6 微孔层纵向配位数的影响

5.2.7 进口覆盖率的影响

5.3 本章小结

6 微孔层对双层气体扩散层传输参数的影响

6.1 引言

6.2 双层孔隙网络

6.2.1 双层孔隙网络构建

6.2.2 毛细压力曲线

6.2.3 液相渗透率

6.2.4 气相扩散系数

6.3 结果和分析

6.3.1 毛细力曲线

6.3.2 液相渗透率

6.3.3 氧气扩散系数

6.3.4 液相突破时刻

6.3.5 裂缝位置的影响

6.4 本章小结

7 催化层中传输反应过程孔隙网络模型

7.1 引言

7.2 催化层孔隙网络

7.2.1 催化层孔隙网络构建

7.2.2 氧气和质子传输过程

7.2.3 计算步骤

7.3 结果和分析

7.3.1 模型验证

7.3.2 催化层厚度的影响

7.3.3 质子传导率的影响

7.3.4 Nafion膜厚度的影响

7.3.5 Nafion膜分布的影响

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读博士期间发表及撰写的论文目录

B.作者在攻读博士期间申请专利

C.作者在攻读博士期间获得奖励

D.作者在攻读博士期间参加项目