分会场

燃料电池与储能

摘要

质子交换膜燃料电池建模仿真是一种重要的研究手段，能够揭示电池内部的传输现象和机理，同时为实验提供指导。该研究将格子玻尔兹曼仿真方法（Lattice Boltzmann Method）与宏观计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）仿真方法相结合，前者重构催化层的微观几何结构并进行微尺度传输仿真，后者绘制完整的电池计算域并预测电池性能，二者通过催化层内结构及传输特征的量化数据相关联，包含有效反应面积（Electrochemical surface area, ECSA）、离子阻抗和局部气体传输阻力等。结合不同铂载量催化层的实验表征数据，测试和验证了耦合模型方法的有效性，保证模型能够真正反映催化层组成结构变化带来的影响。利用这一模型，对采用不同碳载体催化层的电池的活化、欧姆和传质特性进行了细化探究，发现多孔碳载体能有效减少电解质对铂颗粒的包裹，从而削弱其对催化剂活性的毒化作用。经耦合模型测算，多孔碳载体相比实心碳载体能实现最大功率密度2.5%的提升，且在孔尺寸分布和电解质含量进一步优化的前提下，存在更大的性能进步空间。

关键词

质子交换膜燃料电池;三维仿真;电极设计;催化层;跨尺度

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