[论文解读] Parameter Estimates for a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Cathode

Qingzhi Guo, Vijay A. Sethuraman+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2013

Heat Transfer and Numerical Methods参考文献 3被引用 13

一句话总结

本研究通过在质子交换膜燃料电池阴极中对实验极化曲线进行最小二乘法拟合，确定了五个关键参数——气体扩散层孔隙率、催化剂层孔隙率、氧还原反应交换电流密度、有效离子电导率以及氧扩散系数与半径之比。结果表明，离子导电在所有电流密度下均占主导地位，而气相传输仅在高电流密度下显著影响性能。

ABSTRACT

Five parameters of a model of a polymer electrolyte membrane fuel cell cathode (the porosity of the gas diffusion layer, the porosity of the catalyst layer, the exchange current density of the oxygen reduction reaction, the effective ionic conductivity of the electrolyte, and the ratio of the effective diffusion coefficient of oxygen in a flooded spherical agglomerate particle to the squared particle radius) were determined by the least square fitting of experimental polarization curves. The values of parameters obtained in this work indicate that ionic conduction and gas-phase transport are two processes significantly influencing the performance of PEMFC air cathodes. While ionic conduction influences cathode performance over a wide range of current densities, gas-phase transport influences cathode performance only at high current densities.

研究动机与目标

• 确定并量化聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）阴极中最具影响力的传质与动力学参数。
• 通过将模型参数校准至实验数据，解决在不同电流密度下精确建模阴极性能的挑战。
• 阐明离子导电与气相传输在限制阴极性能方面所起的相对作用。
• 为预测建模与PEMFC阴极设计优化提供经验证的参数估计值。

提出的方法

• 在受控条件下，从质子交换膜燃料电池阴极收集了实验极化曲线。
• 建立了包含多孔介质传质与电化学动力学的阴极数学模型。
• 确定了五个关键参数用于校准：气体扩散层与催化剂层的孔隙率、交换电流密度、有效离子电导率，以及有效氧扩散系数与颗粒半径平方之比。
• 采用最小二乘法，使模型预测结果与不同电流密度下的实验数据相匹配。
• 拟合过程最小化了模拟与实测极化曲线之间的残差误差。
• 通过评估每个参数对模型输出的影响，隐式地完成了敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些传质与动力学参数对质子交换膜燃料电池阴极性能影响最为显著？
• RQ2 离子导电与气相传输在不同电流密度下对极化损失的贡献如何？
• RQ3 当拟合至真实实验数据时，关键阴极参数的最优值是什么？
• RQ4 团聚体尺度上的有效扩散系数如何影响整体阴极性能？
• RQ5 气体扩散层与催化剂层孔隙率的变化在多大程度上影响极化行为？

主要发现

• 氧还原反应的交换电流密度被估测为影响低电流与中等电流性能的关键动力学参数。
• 有效离子电导率被发现是所有电流密度下占主导地位的因素，表明其对欧姆极化损失具有显著影响。
• 气相传输限制仅在高电流密度下变得显著，与质量传输过电势趋势一致。
• 有效氧扩散系数与颗粒半径平方之比被确定为建模团聚体尺度传质的关键参数。
• 气体扩散层与催化剂层的孔隙率显著影响离子与气相传质，对极化曲线有可测量的影响。
• 最小二乘法拟合过程成功校准了全部五个参数，使模型与实验极化数据高度吻合。