質(zhì)子交換膜燃料電池測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及單電池建模.pdf

1、為了滿足質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電催化劑性能評價(jià)的要求,本文白行設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)PEMFC單電池性能測試系統(tǒng),該系統(tǒng)由燃料供應(yīng)控制、氣體加濕、溫度顯示與控制和電化學(xué)性能測試與控制等四部分組成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,提出并實(shí)現(xiàn)了靈活的氣體加濕程度控制方案,通過對電化學(xué)性能測試與控制系統(tǒng)和單電池夾具的調(diào)試和改進(jìn),利用常規(guī)膜電極驗(yàn)證測試,獲得良好的結(jié)果,為PEMFC單電池性能測試提供了一個(gè)穩(wěn)定可靠的平臺。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡捷、實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)方便,能

2、滿足電催化劑、電解質(zhì)膜及膜電極性能測試要求。為了更加科學(xué)地設(shè)計(jì)與改進(jìn)PEMFC測試系統(tǒng),指導(dǎo)膜電極制備,本文針對直通道流場的PEMFC單電池,建立了二維全電池?cái)?shù)學(xué)模型。該模型綜合考慮了膜電極內(nèi)參與電催化反應(yīng)的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物分子、電子和質(zhì)子的傳遞過程,采用球形團(tuán)聚物模型對催化層內(nèi)的反應(yīng)過程進(jìn)行了準(zhǔn)確的描述。通過調(diào)節(jié)團(tuán)聚物中質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)的比例和催化層孔隙率,預(yù)測了基準(zhǔn)供氣狀態(tài)下單電池的極化曲線,與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。研究了電池運(yùn)行

3、過程中,膜電極內(nèi)各化學(xué)組分和電流密度的分布情況及流向,比較了不同供氣壓力、催化劑鉑顆粒尺寸等參數(shù)對電池性能的影響。運(yùn)用所建立的模型,可以計(jì)算出膜電極內(nèi)部電催化反應(yīng)與物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。模擬計(jì)算結(jié)果表明,在陰極及時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)生的水,并在陽極對燃料氣進(jìn)行加濕是保證單電池正常運(yùn)行的前提,提高陰極的氧化劑氣體壓力,可顯著改善PEMFC單電池性能,特別是在受濃差極化影響較大的大電流密度區(qū);計(jì)算模擬結(jié)果還顯示,在催化劑鉑載量相同的情況下,減少鉑顆粒的尺寸