质子交换膜燃料电池内电化学反应与微观传递过程的数值模拟和实验研究

The electrochemical and microscopic transmission properties of the proton exchange membrane fuel cell are studied by numerical simulation and experimental measurement, and the icing phenomenon in the fuel cell under supercooling condition is also studied. In terms of experimental measurement, we observe the structure of each component of membrane electrode, particle transfer and distribution, measure the dynamic characteristics of proton exchange membrane fuel cell when working, and visualize the icing phenomenon. In the numerical simulation: it is difficult to obtain the accurate measurement of the internal component concentration in proton exchange membrane fuel cell, so the numerical simulation of PEM is a useful supplement to the experimental study.By using molecular dynamics / quantum mechanics simulation, electrochemical reaction mechanism, micro-transfer process and the icing phenomenon inside the fuel cell are studied, and a multi-scale rapid prediction model of fuel cell performance is built through the scaling method. This program not only will improve the international prestige of our nation in respect of design in proton exchange membrane fuel cell car, but also can help to conduct the design and solution of water management and thermal management problems in PEMFC.

本项目以质子交换膜燃料电池为研究对象，采用数值模拟和实验测量方法研究其内部电化学反应与微观传递性质，以及在过冷条件下燃料电池内部结冰现象。在实验测量方面：观测质子交换膜燃料电池膜电极各组成部分的结构、粒子传递与分布，测量质子交换膜燃料电池工作时动态特性，进行电池内结冰现象的可视化实验。在数值模拟方面：由于质子交换膜燃料电池膜电极工作时内部组分浓度难以逐点的准确测量，采用数值模拟研究燃料电池是对实验研究的有益补充，采用分子动力学/量子力学模拟质子交换膜燃料电池的电化学反应机理、微观传递过程和燃料电池内部各组件上的结冰现象，并通过尺度提升构建燃料电池性能多尺度快速预测模型。通过本项目的执行，可为质子交换膜燃料电池的水管理和热管理设备设计提供相应依据，从而进一步推动国产质子交换膜燃料电池的研究开发和应用。

质子交换膜燃料电池因其能量转换效率高、环境友好、工作安静、运行温度低、低温下快速启动等优点成为燃料电池技术中主要的商业化发展方向，但其大规模应用仍然面临多种挑战。燃料电池内部电化学反应、粒子传递、结冰等过程对燃料电池性能具有直接影响，因此，本项目通过数值模拟和实验测量，对质子交换膜燃料电池内部电化学反应与微观传递以及过冷条件下的内部结冰现象开展研究。在实验测量方面，观测了质子交换膜燃料电池膜电极各组成部分的结构、粒子传递与分布，获得了燃料电池运行过程中催化层降解产物的传递规律，实验观测了浸水冷冻实验后膜电极结构变化情况，研究了结冰行为对膜电极各组件结构的影响，提出了膜电极各组件界面破坏的结冰内应力触发机理。在数值模拟方面，建立了质子交换膜燃料电池电化学反应模型及多尺度仿真模型，探究了温度、压力、铂负载等因素对燃料电池性能的影响规律，通过分子动力学模拟，获得了催化层基质材料与结构以及不同的催化剂种类等因素对电化学反应的影响规律，提出了平衡燃料电池活化性能和抗干扰性能的催化剂选择原则，同时，探究了燃料电池膜电极降解产物对结构和质子传递的影响规律，获得了铂颗粒引起的结构变化与传热传质特性之间的影响规律，另外，开发了水结冰的判定算法，研究了结冰成核现象的影响机理，开展了膜内水结冰行为分析。本项目获得的研究成果，对质子交换膜燃料电池的水热管理设计具有重要理论价值，为进一步推动国产质子交换膜燃料电池的研究开发和应用提供了理论和技术支撑。