质子交换膜燃料电池阴极性能模拟研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有能量转化效率高，环境友好，操作简单，适用范围广等优点，已成为能源技术领域中的主要研究对象之一。目前，质子交换膜燃料电池已成功运用于航天、潜艇、电动车、电站和通信等领域。 鉴于质子交换膜燃料电池阴极(氧扩散电极)性能对整个电池的性能起主导作用的情况，本文在国内外众多学者的研究基础上，以电化学动力学与电化学热力学为理论基础，发展了一个可对质子交换膜燃料电池阴极传质和电化学反应进行定性研究的薄膜-浸渍凝聚相模型。目的在于研究操作条件、电极结构参数和电导率对阴极性能影响，找出其中影响阴极性能的因素，以便提高电池的能量密度和减少极化损失，从而促使电池性能的提高。 本模型假定氧扩散电极的扩散层是由碳黑和聚四氟乙烯构成的憎水性微孔层，为气体扩散和电子传导提供通道。催化层是一种二次构造形式的多孔结构。其中较大的孔为由PTFE网络构成的防水气体通道，小孔为被电解质溶液淹没的催化剂颗粒形成的多孔凝聚相，这些凝聚相由PTFE等憎水材料粘合在一起，其表面存在一层厚度均匀的电解质薄层。工作时，由于一定水分的存在，催化层中Nafion电解质构成的网络起传导质子和水的功能，由催化剂构成的亲水网络，起传导电子和疏水的功能。根据上述假设，推导出阴极各种传递和反应过程的数学方程和数值解法，并用MATLAB软件编程对模型进行了数值求解。 模拟结果表明，提高操作温度和氧气分压有利于改进电池性能，当温度由70℃升至90℃时(氧气分压为0.1MPa)，0.7V阴极电位所对应的电流密度由700mA/cm<'2>增至900mA/cm<'2>；在80℃时，当氧气分压从0.1MPa提高至0.3MPa，阴极电位为0.7V时所对应的电流密度从800mA/cm<'2>提高至900mA/cm<'2>以上。电极结构参数中，当催化层孔隙率由0.2增加至0.4时(在80℃和0.1MPa氧气分压条件下，以下同)，0.7V阴极电位所对应的电流密度由500mA/cm<'2>增至1100mA/cm<'2>，增加了两倍多；当凝聚相半径由20μm减小至6μm时，0.7V阴极电位所对应的电流密度由不到200mA/cm<'2>剧增至800mA/cm<'2>；当薄膜厚度增加至0.2μm时，0.7V阴极电位所对应的电流密度已接近该参数条件下的极限电流密度。对离子传导率，当其由0.1S/m提高到1S/m时，0.7V阴极电位所对应的电流密度由200mA/cm<'2>增加至800mA/cm<'2>。可见催化层孔隙率与厚度、催化层浸渍凝聚相半径与体积分数以及薄膜厚度、有效离子传导率等对阴极性能影响较大。相对而言，气体扩散层的孔隙率、催化层气体通道的半径以及碳相中电子传导率等参数的变化对阴极性能影响相对较小，在不同催化层气体通道的半径以及碳相中电子传导率参数条件下，阴极的电压与电流密度关系曲线几乎重合。 通过模拟结果与相关文献的对比分析，表明该模型是合理的，而且各种结构参数都存在最优值。虽然应用本文所建薄膜一浸渍凝聚相模型还不能确定电极制备方法与结构参数之间的具体关系，但模型的许多结构参数的取值和变化对改进质子交换膜燃料电池电极的制备和组装工艺，提高其操作性能和延长寿命等具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章质子交换膜燃料电池基础知识

第三章质子交换膜燃料电池阴极数学模型

第四章质子交换膜燃料电池阴极模型求解及结果分析

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢