试析质子交换膜燃料电池的电化学和数值模拟研究

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1、中国科学院大连化学物理研究所博士学位论文质子交换膜燃料电池的电化学和数值模拟研究姓名：胡经纬申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：张华民20060530摘要摘要质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究手段主要分为实验研究和模型研究。本文的研究内容为PEMFC的电化学和数学模型研究。论文建立了基于电化学线性扫描、电化学交流阻抗和电化学嗓音技术的金属双极板材料腐蚀速率测量平台；建立了基于薄膜电极技术的电极阴极催化剂、阳极催化剂的电化学离线表征平台；建立了基于单电池的电化学在线测试平台；作为电化学测试的初步应用，建立了基于电化学测试方法的电池分析模型系

2、统。本文开展了基于电化学测试技术的PBI体系高温PEMFC的500h连续寿命实验，指出催化齐Ⅱ颗粒长大是性能衰减的主要原因；建立了基于电化学测量的PBI体系高温PEMFC的一维数学模型；首次运用电化学小幅度方波电位阶跃法在线测量了电池内阻。考察了操作条件对PBI体系高温PEMFC性能的影响，运用电化学交流阻抗技术解释了空气性能差的原因，运用RDE技术考察了PBI体系和Nafion体系的区别，首次给出了氧在PBI聚合物薄膜中的扩散系数和磷酸根吸附的定量数据。同时建立了基于人工神经网络的PBI体系高温电池预测系统。建立了整合了开路条件下的电化学交流阻

3、抗技术的基于动量守恒方程，质量守恒方程和电化学方程的二维垂直于流道方向的数学模型，模型预测结果和实验结果符合良好。关键词：质子交换膜燃料电池；电化学方法：数学模型；人工神经网络；PBI体系高温PEMFCAbstractJingweiHu(ChemicalEngineering)DirectedbyProLHuaminZhangThemainstudymethodsinPEMFCcanbedividedintotwoclasses，oneisexperimentalresearch，andtheotherismathematicmodelresea

4、rch．Theaimsofthisthesisaretodevelopelectrochemicalmeasurementplatformandtoconstructmathematicmodelbasedonelectrochemicalmeasurements．Theelectrochemicalmeasurementplatformwasdevelopedonthedeterminationofcorrosionrateofthinmetalbipolarplatematerials；andtheex—situ．electrochemica

5、lmeasurementplatformbasedonthinfilmelectrodewasconstructedtoinvestigatethecathodeandanodecatalystactivity；andthein_situ．electrochemicalmeasurementplatformonPEMFCsinglecellisdeveloped．Finally，ananalyticPEMFCmodelbasedonelectrochemicalmethodswasconstructedasasimpleexampleforthe

6、applicationofelectrochemicaltechniques．500hcontinuousagingtestonPBIsystemhightemperaturePEMFCwasconducted，anditisfoundthattheagglomerationofcathodecatalystwasthemainreasonfortheperformancedegradationintheagingtest．Meanwhile，aone—dimensionalmathematicmodelwasdevelopedtosimulat

7、etheagingprocess．Meanwhile，anin—situ．ElectrochemicallowamplitudesquarewavetechniquewasdevelopedtomeasuretheinternalresistanceofPEMFC．TheeffectofoperationalconditionsontheperformanceofPBIsystemhightemperaturePEMFCwasstudied；theEIStechniquewasappliedtointerprettheAbstractpoorpe

8、rformanceofPBIsystemhightemperaturePEMFCandthinfilmRDEtechniquewasus