【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC）具有效率高、响应速度快等优点,被认为是最有前途的能量转换装置之一。在PEMFC的组成中,夹在微孔层和膜之间的催化剂层（Catalyst Layer:CL）是最复杂和最重要的,因为它是发生能量转换的地方。PEMFC催化层微观结构对燃料电池性能的影响并不像其它组成结构那样简单,因为催化层中的各种组分和
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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC）具有效率高、响应速度快等优点,被认为是最有前途的能量转换装置之一。在PEMFC的组成中,夹在微孔层和膜之间的催化剂层（Catalyst Layer:CL）是最复杂和最重要的,因为它是发生能量转换的地方。PEMFC催化层微观结构对燃料电池性能的影响并不像其它组成结构那样简单,因为催化层中的各种组分和输运过程相互影响。因此,需要全面了解催化层微观结构及其与相应传输机制的相互作用,以改善催化层在各种条件下的性能。本文基于Nano-CT技术重构PEMFC催化层三维微观结构,考虑微纳尺度下Knudsen效应,利用细观CFD方法,对其中热、质传输及电化学过程进行模拟。主要获得以下结论:（1）催化层中气体的有效扩散系数随着孔隙率增大而增大;考虑Knudsen扩散时的有效扩散系数均小于不考虑Knudsen效应时的值;Bruggmen高估了气体有效扩散系数。催化层中有效电子电导率/有效质子电导率随碳/离聚物体积分数增大而增大。（2）电化学反应从CL/PEM界面向CL/GDL界面逐渐进行,电流密度逐渐降低;计算条件下,质子传导是影响反应强度的主要因素;3s时体系基本稳定。（3）O2浓度从CL/GDL界面向CL/PEM界面逐渐降低。温度分布趋势与电流密度一致,体系稳定时CL/PEM与CL/GDL界面温差为0.2 K;从开始到稳定,催化层整体温度增加了0.6 K左右。（4）液态水饱和度从CL/PEM界面向CL/GDL界面逐渐降低;在任意等值面上,膜态水分布呈丘陵状,高低起伏,造成这一现象的原因与催化层内部复杂的孔结构、各处电化学反应强度及离聚物润湿度有关。（5）催化层中存在一定量的死孔（Dead pore）,O2无法进入,因此也不会发生电化学反应;多处半岛式结构中氧气与质子的传输不匹配,影响反应的效率。
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