质子交换膜燃料电池膜电极空间结构的模拟及优化设计

膜电极是PEMFC重要部件，其扩散层和催化剂层空间结构对催化剂利用率、气液两相传质及反应效率有重大影响。而目前国内外所制备的膜电极中普遍存在以下问题：催化层沿厚度和沿流道方向上催化剂载量分配不合理、利用不充分；不重视扩散层与催化层间的过渡层结构，从而影响到传质过程，因此有必要对膜电极空间结构进行研究及优化设计。本研究将利用Monte-Carlo法建立多尺度三维格点模型，细致描述催化层、过渡层及扩散层内复杂多孔结构，分析催化层Pt/C、质子导体以及气孔对催化剂利用率的影响，用随机行走方法研究气体和液体在膜电极各层中的扩散行为，建立不同的数学模型，并采用"模块法"将宏观与微观尺度的多个模型偶合起来，以深入研究膜电极内部空间结构对气液两相传质、电化学反应过程的影响，并且研究双极板上流道设计对膜电极空间结构的要求，最终考察其对电池性能和效率的影响，从而提出高效膜电极空间结构的优化设计。