質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側(cè)多孔擴散材料內(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造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，發(fā)展高效、清潔的綠色能源已受到各國政府的重視。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、無污染以及燃料多樣化等優(yōu)點，在包括汽車、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行、快速啟動、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，已受到越來越多的關(guān)注。
　　 質(zhì)子交換膜燃料電池主要由雙極板、氣體擴散層、催化層以及質(zhì)子交換膜所構(gòu)成。在電

2、池陽極側(cè)，氫氣被分解為電子和質(zhì)子。而在陰極側(cè)，氧氣則是與從陽極傳輸過來的質(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)生的水會在氣體擴散層和催化層中凝結(jié)生成液態(tài)水。由于液態(tài)水會占據(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)者對此進

3、行數(shù)值計算模擬。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)對傳輸過程的影響。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)氣體擴散層和催化層內(nèi)的傳輸反應(yīng)過程。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 ①采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了氣體擴散層內(nèi)氧氣傳輸過程。結(jié)果表明減小氣體擴散層的各向異性和各向不均勻性以及增加連通性可加強氧氣的傳輸。根據(jù)計算和實驗結(jié)果，擬合出新的計算氧氣有效擴散系數(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)成的混合潤濕氣體擴散層內(nèi)的兩相傳輸過程。結(jié)果表明存在一個最佳親水孔隙比例使得極限電流密度最大。同時還發(fā)現(xiàn)采用非均勻混合潤濕氣體擴散層可進一步增加電池性能。
　　 ⑧采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分析了微孔層和進口邊界對雙層氣體擴散層內(nèi)液相分布的影響。結(jié)果表明在有微孔層存在條件下，氣體擴散層內(nèi)液相飽和度會下降，但下降的程度和進口邊界相關(guān)。氣體擴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，對雙層氣體擴散層傳輸系數(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，氧氣有效擴散系數(shù)也會增加，但在液相飽和度較低時變化很小。同時還發(fā)現(xiàn)，在液相突破時刻，對于沒有缺陷的雙層氣體擴散層，在微孔層和擴散層界面處，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散系數(shù)均會下降。然而，對于有缺陷的雙層氣體擴散層，在微孔層和氣體擴散層界面處，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)過程，研究了催化層結(jié)構(gòu)對電池性能的影響。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下降，在高電流密度時增加。同時還發(fā)現(xiàn)增加催化層中Nafion膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率可提高電池