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质子交换膜燃料电池膜电极的Monte Carlo模拟

付川  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极中包含多种传输过程,且传输过程与电化学反应过程在相互交错的区域内进行,目前人们对膜电极的结构、传输过程和电极的微观性质还缺乏准确、系统和深层次的认识。制约了高利用率的质子交换膜燃料电池的开发和研究。对质子交换膜燃料电池的膜电极进行全面、深入和系统化的基础性研究具有十分重要的研究意义和实用价值。 本文首先建立了质子交换膜燃料电池的膜电极的随机方格子模型,在电极模型各格点位置用Monte Carlo方法生成随机分布的电极粒子、Nafion粒子和聚四氟乙烯团粒,认为只有那些既有质子传输通道,又有连续的电子通道和气体扩散通道的胞元才产生有效的电流,而其余胞元不产生电流,把电极的输出电流转化成一个概率事件。确定了有效输出电流迷宫通道模型,并建立了非即回无规行走扫描算法,运用MATLAB和C语言编写了模拟程序实现了对膜电极催化剂利用率的统计,并探讨了电极结构和电极制备工艺对催化剂利用率的影响。 通过MEA的Monte carlo模拟可以得到以下结论: (1) 催化剂利用率随电极厚度的增加而减小,电极催化层厚度超过10μm之后催化剂利用率将大打折扣。 (2) Nafion在电极中提供质子通道,Nafion含量在不同厚度电极中存在一最佳值,并不是越多越好,过多的Nafion使催化剂被Nafion团粒所团聚,降低了催化剂利用率。 (3) 高负载比的Pt/C作催化剂可以降低催化层厚度,提高催化剂利用率,采用10%的Pt/C作催化剂,催化剂利用率最高仅有51.2%,采用60%的Pt/C作催化剂,催化剂利用率最高可达85.7%。 最后,通过建立氧电极数学模型探讨了单位体积催化剂有效表面积对氧电极电化学性能的影响.


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