基于新球型微观结构模型模拟PEMFC催化层.pdf

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1、物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)MarchActa脚．一Chim．Sin．2015，31(3)，489-497489[Article]doi：10．3866／PKU．WHXB201501221www．whxb．pku．edu．ca基于新球型微观结构模型模拟PEMFC催化层张洁婧，王宇新许莉(吉林农业大学生命科学学院，长春130118；天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津300072)摘要：建立了一个新球型催化层微观结构模型。并基于此模型对质子交换膜燃料~(PEMFC)性能进行了模拟．该模型中假设催化层由Pt／C颗粒和离子聚合物．孔混合相组成．假设Pt／C颗粒

2、为球形结构，其直径符合正态分布，用不同直径的球来表示随机分散在电极中的Pt／C颗粒．计算了催化层内的传递和电化学反应，研究了质子和氧气及电化学反应速率在电极厚度方向上的分布，并且通过对比氧气浓度、过电位和电化学反应速率的分布、极化曲线及催化剂利用率等证明了适当的电极厚度与Pt／C颗粒粒径有利于提高电池性能．关键词：超薄电极：球型微观模型：Pt／C颗粒粒径：电极厚度；催化剂利用率中图分类号：0646SimulationofSphere-MicrostructureModeloftheCatalystLayerinaPEMFCZHANGJie—Jing’l’WANGYu—XinXULirSc

3、hoolOfLifeSciences,JilinAgriculturalUniversity,Changchun]30118,尼China；：StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072，PR．China)Abstract：Thecatalystlayerinaproton．exchange．membranefueIcelI(PEMFC)wassimulatedbasedonasphere．microstruc

4、turemodelthatconsistedofPt／Cparticlesandamixedionomer-porephase．Pt／Cparticleswererandomlydistributedinthemodelandweretreatedassphereswithanormaldistributionoftheirsizeassumed．TransportandelectrochemicaIreactionsinthemodeIcatalystlayerwerecalculated．ThevariationofoxygenIevel，overpotential，reaction

5、rate，andcellcurrentthroughthecatalystlayerwasdiscussedinrelationtochangesinelectrodethicknessandPtJCparticlesize．Thecorrespondingpolarizationcurveswerealsoanalyzed．Throughthisanalysis．optimalvaluesforelectrodethicknessandparticlesizewereachieved．KeyWords：Ultrathinelectrode；Spheremicrostructuremod

6、el；Pt／CparticlesizeElectrodethickness；Catalystutilization1引言膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池因其具有高效、低污染、的核心部件，由聚合物电解质膜及其两侧的电极催起动快等优点，而被认为是最有应用前景的电源之化层组成．电极催化层一般由随机分布的Pt／C颗一．但是，性能差、成本高等缺点阻碍了其商业化进粒、离子聚合物和孔组成．Pt／C颗粒、离子聚合物和程．若要提高电池性能并降低成本，势必要优化电孔分别给电子、质子及反应物提供传递通路．电化池的关键部件．学反应仅发生在三条通路同时具备的反应活性位Recei

7、ved：November4，2014；Revised：January22，2015；PublishedonWeb：January22，2015．Correspondingauthor．Email：zjjXl24@163．com；Tel：+86—431—84533360·8023．TheprojectwassupportedbytheNationalNamralScienceFoundationofChina(20606025)，Ji