质子交换膜燃料电池抗CO非对称结构模型与计算方法研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用的氢燃料主要来源于传统燃料的重整和电解水，而重整气中的一氧化碳（CO）等杂质可导致催化剂中毒，降低电池性能。本课题拟采用数值实验的方法研究一类具有非对称结构的PEMFC的抗CO特性，主要包含以下三方面的内容：(1)建立抗CO电催化剂的数学模型，分析多元合金催化剂在不同工况和结构参数下的稳定性能和催化活性。(2)将上述模型结果应用于PEMFC的模型，即在阳极新增特殊功能层筛分和吸收CO以缓解CO的毒化作用。从而构建一类具有非对称结构的PEMFC数学模型，并分析该结构的抗CO能力和对电池性能的影响。(3)上述模型具有的非对称结构在数值离散时将产生非匹配网格问题，本课题拟采用Mortar元和间断有限元等方法处理，并设计高效的计算方法用以求解模型中的强耦合非线性微分方程组。

质子交换膜燃料电池是一类重要的清洁新能源，在新能源汽车等领域有着广阔的应用前景。目前，限制质子交换膜燃料电池商业化应用的主要原因是其较短的使用寿命和高昂的成本。在燃料电池使用的燃料（氢气）中常含有CO等杂质，而这些杂质会毒化阳极的催化剂铂，降低电池性能。本项目采用数值仿真的方法对质子交换膜燃料电池进行研究。与工程实验不同，数值仿真具有低成本，可重复性等优点，并能获得某些实验无法测量的数据和信息。本项目主要成果包括：1）在质子交换膜燃料电池模型及其快速算法方面，依据合理假设，提出了一类各种相态水在内交面上的边界条件，保证其通量的守恒性，并将质子交换膜燃料电池多区域两相流模型推广至三维。对于该数学模型，基于有限元-迎风有限体离散格式、两重网格算法和区域分裂算法等，设计了一套快速有效的数值求解算法，并开发了相应的Fortran语言计算程序。2）对于燃料电池数值仿真中使用的有限元-迎风有限体积离散格式、两重网格算法和自适应算法等进行了误差估计和收敛性分析，获得了一些理论分析结果。3）在质子交换膜燃料电池的多尺度模型和优化控制模型方面也完成一些预研工作。