孙公权、王素力研究员团队构建出可准确预测HT-PEMFC中磷酸和水分布的多组分多相模型

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近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心（DNL0305组）孙公权研究员和王素力研究员团队在高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC）磷酸和水的多相分布研究方面取得新进展，通过构建基于催化层团簇的三维、非等温、多组分多相HT-PEMFC模型，探究了电池内部水和磷酸的多相传递机制及其对电池性能的影响。
　　相比低温聚合物电解质膜燃料电池，HT-PEMFC工作温度为120至200℃，具有耐毒化能力强、水热管理简单、废热品位高等优点，在电动车辆、船舶动力电源等领域应用优势明显。但HT-PEMFC中的电解质为浓磷酸，电池运行时磷酸从阴极电迁移至阳极，引起磷酸再分布，从而影响电池内部多相传质与电化学反应。深入了解电池材料、结构和操作条件对水和磷酸多相传递的影响，对该电池发展具有重要的理论意义与应用价值。

　　本工作中，该团队针对磷酸和水分布实验表征难，以及以往模型多为单项模型，难以描述复杂物理过程等难题，构建了包含流场、聚合物电解质膜、催化层和扩散层的多区域多孔介质多相传递与反应模型，具体为磷酸和水的多组分多相传递模型，描述磷酸和水的对流、扩散和电迁移过程；催化层团簇模型，描述催化层材料特性及液相分率对气相反应物溶解、扩散和电化学反应影响；电势输运模型，包含电子和离子电势；能量输运模型，包含电化学反应热、欧姆热和相变热。该模型可以准确预测燃料电池性能，模型模拟结果表明，电池运行过程中磷酸从阴极向阳极的电迁移使阳极磷酸浓度高于阴极，同时阴极生成的水有约20%会以液相的形式扩散至阳极。本研究可为电池材料（膜电极厚度、孔隙率、渗透率、电导率、浸润特性、催化剂、粘结剂等）、结构（流场、电堆歧管等）和操作条件（温度、压力、进料比、燃料气组成等）的设计优化提供理论依据。
　　相关研究成果以“Investigation of Phosphoric Acid and Water Transport in the High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using a Multiphase Model”为题，发表在《美国化工协会期刊》（AIChE Journal）上。该工作的共同第一作者是我所DNL0305组博士研究生孙牧和黄基才副研究员。上述工作得到大连化物所创新基金、国家自然科学基金重大集成等项目的资助。（文/图 孙牧）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/aic.17708


       文章来源：大连化物所
      ，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1993年于中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位；1995年赴美国耶哥电化学科学中心，博士后；1997年         任长春应用化学研究所电化学研究室主任，环境友好化学部部长。1999年赴美国乔治亞理工学院、圣母大学，访问教授。2001年7月         作为国外引进杰出人才受聘于大连化学物理研究所，现任大连洁净能源国家实验室燃料电池研究部部长，兼任直接醇类燃料电池研究         组组长。孙公权研究员多年来一直致力于高比能、环境友好的直接醇类燃料电池、金属（Mg、Al、Zn等）/空气（O2、H2O2）储备电池以及电化学传感器件等研究开发工作。现为国家“973”计划项目首席科学家，总装型谱项目首席专家，中国科学院能源动力专家组专         家。《Fuel Cell》、《The Open Electrochemistry Journal》、《化学与物理电源系统》等多种学术期刊编委或客座编辑。先后主持承担了40余科研项目，获研究成果6项。在内外核心期刊发表研究论文180余篇（国外120余篇），累计他引4000余次。申请国内外发明专利85件（国外10余件）。参与编写著作3部，译著1部。培养博士/硕士研究生40余人，享有国务院政府特殊津贴。     


         王素力，女，1971年生。现任中国科学院大连化学物理研究所研究员，直接醇类燃料电池研究组副组长。1995年毕业于辽宁师范大学获学士学位，2000年于辽宁师范大学获硕士学位，2007年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。自2000年以来一直从事直接醇类燃料电池（DAFC）的研究开发工作，主要研究方向包括电解质膜、膜电极等。在国内外学术期刊发表论文40余篇，申请中国发明专利20余项，获授权专利7项，参与翻译著作一部（排名第二），获大连市技术发明一等奖一项（排名第三）。