聚合物膜燃料电池催化层微观模拟研究

摘要

催化层是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分之一,其结构以及各物质在催化层中的传输与电极反应紧密相关。所以,了解催化层中的构效关系对于提高PEMFC性能至关重要。目前的实验分析表征方法对微观尺度催化层中的构效关系研究仍有很大的局限性,而数学模拟为此提供了重要手段。由于PEMFC多在常压和80℃工作,气液两态的水都会存在于电池的阴极催化层中。水在催化层中的存在和传输会影响氧气的浓度和传递,进而影响整个电池性能。而前人的有关模拟研究中多忽略水的影响。本论文依据催化层微观格点模型模拟研究了PEMFC阴极催化层中气液态水并存时的PEMFC性能以及诸因素对催化层微观结构中水传递和电池性能的影响。
　　我们改进了现有C-IP两相(Pt/C催化剂相为C相,离子聚合物和孔混合相为IP相)格点模型,对模型中Bruggeman修正式的氧气有效扩散系数和孔中边界条件进行了校正,使模型更接近离子聚合物和孔混合为一相的假定。通过模拟对比,说明有效扩散系数和边界浓度的差异对电池性能的影响不可忽略。应用校正后C-IP模型,我们研究了离子聚合物分布方式、进料压力以及离子聚合物电导率对电池性能的影响。
　　基于C-IP微观格点催化层模型,我们首次模拟了气液两态水并存时PEMFC性能。通过对氧气浓度分布和反应速率分布的比较,说明了同时考虑催化层中气液两态水影响的必要性。模拟分析了液态水饱和度、氧气浓度以及氧还原反应速率等在阴极催化层中的分布情况和影响因素。考察了不同程度“水淹”情况下的电池性能以及IP相中离子聚合物含量、催化层接触角、渗透率对水传递和电池性能的影响。
　　由于C-IP格点模型主要用于低孔隙率催化层的模拟,对于较高孔隙率催化层中气液态水并存时的电池性能,我们采用孔-固微观格点催化层模型进行了模拟研究,并将模拟得到的电池极化曲线与电池性能实验数据进行了比较。同时,依据孔-固微观格点催化层模型,我们也考察了不同程度“水淹”情况下的电池性能以及催化层孔隙率、接触角、渗透率对水传递和电池性能的影响。

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前言

第一章 文献综述

1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

1.1.1 PEMFC工作原理

1.1.2 PEMFC 基本组件

1.1.3 PEMFC的可逆电压与电位降

1.2 PEMFC中水传递过程

1.2.1 流道中水传递

1.2.2 扩散层中水传递

1.2.3 催化层中水传递

1.2.4 质子交换膜中水传递

1.3 PEMFC水管理模型

1.3.1 仅考虑气态水存在模型

1.3.2 同时考虑气液态水存在的模型

1.4 本文研究目标与工作

第二章 改进的C-IP微观格点催化层模型

2.1 数学模型

2.1.1 几何建模

2.1.2 控制方程和边界条件

2.1.3 数值计算方法

2.2 模拟结果和讨论

2.2.1 校正有效扩散系数和边界浓度前后极化曲线比较

2.2.2 校正有效扩散系数和边界浓度前后氧气浓度、电化学反应速率分布比较

2.2.3 离子聚合物分布的影响

2.2.4 空气进料压力的影响

2.2.5 离子聚合物电导率的影响

2.3 本章小结

第三章 气液态水并存的C-IP微观格点催化层模型

3.1数学模型

3.1.1几何建模

3.1.2控制方程和边界条件

3.1.3数值计算方法

3.2模拟结果与讨论

3.2.1忽略催化层中液态水可能造成的误差

3.2.2氧气浓度、电化学反应速率、液态水生成速率及液态水饱和度的分布

3.2.3不同程度“水淹”对电池性能的影响

3.2.4 催化层离子聚合物含量的影响

3.2.5催化层接触角的影响

3.2.6催化层绝对渗透率的影响

3.3本章小结

第四章 气液态水并存的孔-固微观格点催化层模型

4.1数学模型

4.1.1几何建模

4.1.2 控制方程和边界条件

4.1.3 数值计算方法

4.2 模拟结果与讨论

4.2.1忽略催化层中液态水可能造成的误差

4.2.2氧气浓度、电化学反应速率、液态水生成速率及液态水饱和度的分布

4.2.3不同程度“水淹”对电池性能的影响

4.2.4催化层孔隙率的影响

4.2.5催化层接触角的影响

4.2.6催化层绝对渗透率的影响

4.3本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢