質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)多孔擴(kuò)散材料內(nèi)兩相傳輸特性.pdf

1、由于傳統(tǒng)的化石能源效率低下且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，發(fā)展高效、清潔的綠色能源已受到各國(guó)政府的重視。燃料電池作為一種能夠直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置，因具有高效、無(wú)污染以及燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，在包括汽車(chē)、電站、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在眾多燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池因其常溫運(yùn)行、快速啟動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。
　　 質(zhì)子交換膜燃料電池主要由雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜所構(gòu)成。在電

2、池陽(yáng)極側(cè)，氫氣被分解為電子和質(zhì)子。而在陰極側(cè)，氧氣則是與從陽(yáng)極傳輸過(guò)來(lái)的質(zhì)子以及電子發(fā)生反應(yīng)生成熱和水。由于氧氣的還原反應(yīng)速率比氫氣的氧化反應(yīng)速率低很多，所以質(zhì)子交換膜燃料電池的性能損失主要在陰極側(cè)發(fā)生。此外，在陰極產(chǎn)生的水會(huì)在氣體擴(kuò)散層和催化層中凝結(jié)生成液態(tài)水。由于液態(tài)水會(huì)占據(jù)多孔層中的空間部分，因而阻礙氧氣傳輸，使得電池性能下降。因此，了解電池陰極側(cè)多孔層內(nèi)的傳輸反應(yīng)過(guò)程可幫助優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，提高電池性能。目前，已有許多研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)

3、行數(shù)值計(jì)算模擬。但是這些模擬均基于宏觀方法，因而不能反應(yīng)多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸過(guò)程的影響。由于這些宏觀模型的不足，本文主要利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型從孔隙尺度上揭示質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層和催化層內(nèi)的傳輸反應(yīng)過(guò)程。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 ①采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了氣體擴(kuò)散層內(nèi)氧氣傳輸過(guò)程。結(jié)果表明減小氣體擴(kuò)散層的各向異性和各向不均勻性以及增加連通性可加強(qiáng)氧氣的傳輸。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合出新的計(jì)算氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系

4、式。
　　 ②采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了由憎水和親水孔隙構(gòu)成的混合潤(rùn)濕氣體擴(kuò)散層內(nèi)的兩相傳輸過(guò)程。結(jié)果表明存在一個(gè)最佳親水孔隙比例使得極限電流密度最大。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)采用非均勻混合潤(rùn)濕氣體擴(kuò)散層可進(jìn)一步增加電池性能。
　　 ⑧采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了微孔層和進(jìn)口邊界對(duì)雙層氣體擴(kuò)散層內(nèi)液相分布的影響。結(jié)果表明在有微孔層存在條件下，氣體擴(kuò)散層內(nèi)液相飽和度會(huì)下降，但下降的程度和進(jìn)口邊界相關(guān)。氣體擴(kuò)散層的液相飽和度隨著微孔層厚度橫向配位數(shù)

5、的增加以及縱向配位數(shù)和進(jìn)口覆蓋率的減小而下降。
　　 ④采用孔隙網(wǎng)絡(luò)分析了微孔層結(jié)構(gòu)，如微孔層厚度和缺陷，對(duì)雙層氣體擴(kuò)散層傳輸系數(shù)的影響。結(jié)果表明隨著微孔層厚度增加，液相滲透率上升，但氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)下降。隨著缺陷寬度增加，液相滲透率增加，并且在液相飽和度較高時(shí)，氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)增加，但在液相飽和度較低時(shí)變化很小。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在液相突破時(shí)刻，對(duì)于沒(méi)有缺陷的雙層氣體擴(kuò)散層，在微孔層和擴(kuò)散層界面處，液相飽和度陡升，且隨著微孔層厚

6、度增加，液相滲透率和氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)均會(huì)下降。然而，對(duì)于有缺陷的雙層氣體擴(kuò)散層，在微孔層和氣體擴(kuò)散層界面處，液相飽和度陡降，且隨著微孔層寬度增加，液相滲透率增加，但氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)降低。
　　 ⑤采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了催化層中的傳輸反應(yīng)過(guò)程，研究了催化層結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明隨著催化層厚度和Nafion膜厚度的減小，電池電壓在低電流密度時(shí)下降，在高電流密度時(shí)增加。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)增加催化層中Nafion膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率可提高電池