Nano Select:基于孔尺度分布的燃料电池催化层气体有效扩散系数构建方法

质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,它具有零排放、启动迅速、低噪音、能量密度高等一系列优点,是理想的车辆动力源。随着人们对车辆动力系统轻量化和低成本的追求的提高,燃料电池工作电流密度和功率密度也在不断提升。燃料电池多孔电极的传质能力是决定反应气能否高效传输至催化剂表面进行电化学反应的关键因素,而燃料电池的极限工作电流密度主要受电极传质能力的制约。因此,如何准确反映多孔催化层内反应气的有效扩散系数是指导电极结构设计和提高电池性能模拟准确性的关键。目前,燃料电池催化层气体有效扩散系数大多是通过Bruggeman修正式根据催化层的孔隙率和气体的体扩散系数计算得到的,但是它并不能准确反映微米以下微孔内的气体扩散现象,特别是当孔径尺寸接近气体分子平均自由程时,分子与孔壁的碰撞概率会显著增加,这会明显降低气体分子在微孔内的扩散系数,此现象称为努森效应。虽然也有少数研究者在催化层气体有效扩散系数中引入了努森效应,但他们通常是根据固定的孔径尺寸计算的,而实际催化层的孔尺度可覆盖从纳米到微米的整个范围,孔尺度分布是在计算催化层有效扩散系数时需要被考虑和关注的一个重要影响因素。

天津大学内燃机国家重点实验室秦彦周教授团队针对此问题提出了一种能覆盖燃料电池催化层全尺度孔径的气体有效扩散系数的计算方法。通过BET测量了Pt/C催化层的孔径分布曲线,利用分形法将孔径分布曲线均分为足够多的区间,在每一区间内根据平均孔径计算相应的气体努森扩散系数。将所有孔径区间的气体努森扩散系数按照体积分数加权平均得到催化层整体的气体努森扩散系数,进而对体扩散系数修正得到催化层的气体有效扩散系数。同时,作者将新得到的催化层气体有效扩散系数用于阴极氧气扩散传输和电池性能的计算,并与传统Bruggeman气体有效扩散系数的计算结果进行了对比,结果表明考虑孔径分布努森效应的催化层氧气扩散传输能力会明显下降,导致模拟得到的最大电流密度降低42%,从而验证了孔径分布努森效应对燃料电池催化层传质和电池性能的重要影响。

虽然论文中的气体有效扩散系数关系式是根据燃料电池特定催化层的孔径分布曲线建立的,但是这种微孔内气体有效扩散系数关系式的构建方法具有普适性。对于孔径尺度在纳米至微米的努森效应作用显著的宽广范围内,都可以通过此关系式计算微孔内气体的有效传输系数,可用于以气体传质为目标的多孔介质孔隙结构设计和相关数值模拟计算,具有广阔的应用价值。相关论文在线发表在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000136)上。