HTPEMFC装配特性试验及电极电化学过程分析

发布时间：2018-01-22 09:08

  本文关键词： 高温质子交换膜燃料电池 分子模拟 膜电极 反应路径　出处：《沈阳建筑大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：质子交换膜(PEM)燃料电池是一种高效的、对环境友好的发电装置。作为新一代的绿色能源动力系统,它有助于解决环境污染和能源危机等问题。传统的质子交换膜燃料电池工作温度为80℃,对于燃料电池水管理和热管理的要求相对较高。相比而言,高温质子交换膜燃料电池工作温度在120℃以上,具有更简化的水管理和热管理,对燃料纯度的要求也相对较低,是质子交换膜燃料电池一个重要的发展方向。本文通过实验和模拟两个方面研究了膜电极压缩率对高温质子交换膜燃料电池性能的影响,以及阴极铂催化条件下氢氧反应路径。研究结果对理解高温质子交换膜燃料电池的工作原理及其设计研发具有重要意义。本文在参阅大量关于质子交换膜燃料电池资料的基础上,总结了质子交换膜燃料电池的发展历程、应用现状及工作原理。介绍了高温质子交换膜燃料电池关键组件的结构功能,工作原理和传质基础知识；搭建了燃料电池测试系统,介绍了燃料电池测试系统的工作原理、结构组成和实验步骤。应用搭建的燃料电池测试系统,测试了高温质子交换膜燃料电池的伏安特性和交流阻抗。分析了反应气体流量和电池温度对高温质子交换膜燃料电池特性和交流阻抗的影响；实验还测试了高温质子交换膜燃料电池不同膜电极压缩率条件下的电池特性。实验结果分析发现：增大反应气体流量,可以增大催化剂层反应气体浓度,降低浓差极化,燃料电池性能提高；升高电池温度,可以加快催化剂层上的电化学反应,降低法拉第阻抗和活性极化,同时降低质子交换膜中的欧姆阻抗,燃料电池的性能提高；燃料电池安装时膜电极压缩率为20.8%的电池性能最优,压缩率过高,扩散层有效孔隙率降低,浓差极化加剧,而压缩率过低,电池各个零部件的接触阻抗增大。基于分子动力学和量子力学基本原理,建立了在催化剂铂作用下氧气在电池阴极中的还原反应分子模型,模拟了催化剂作用下氧气和质子反应中的步骤和能量变化,分析了催化剂作用下氧气和质子还原反应的最佳路径。同时模拟分析了电池温度对氧气和质子还原反应的影响。模拟分析发现：氧气在催化剂上采用μ/π(fcc)平行吸附模式时体系的能量最低,结构最稳定,是氧气在催化剂铂上的最佳吸附方式；氧分子在铂催化剂的(111)表面上与四个氢原子依次反应有四条反应路径,不同路径相应反应步骤的生成物能量相近,但存在一条较快的反应路径；升高电池温度,氧气还原反应速度加快,但最佳反应路径不变。
[Abstract]:Proton exchange membrane (PEM) fuel cell is an efficient and environmentally friendly power generation device. It is a new generation of green energy power system. The traditional proton exchange membrane fuel cell working temperature is 80 鈩，

本文编号：1454301