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燃料电池是一种高效、清洁的能源利用方式,但要依赖于价格昂贵的Pt基贵金属催化剂。为了降低燃料电池成本,非贵金属催化剂Fe/N/C材料受到了广泛关注。但Fe/N/C催化剂制备的阴极催化层厚度较大,比传统铂催化层厚度大1个数量级,使得阴极传质过程变得更加困难。燃料电池Fe/N/C阴极催化层的传质成为其应用的一个难题。燃料电池结构和过程复杂,原位表征、在线表征手段比较缺乏,人们难以准确得到燃料电池中物质的传递数据。利用成熟的理论基础,建立合理的燃料电池数学模型,可以获取电池运行中的微观数据,使得仿真模拟在燃料电池研究中扮演着越来越重的角色。在本论文中,我建立了燃料电池阴极催化层模型,模型求解区域包含了气体扩散层、阴极催化层和质子交换膜。利用COMSOL Multiphysics求解相应模型方程,得到阴极催化层中物质传递规律和电化学特性。对Fe/N/C催化层结构进行设计修改,探索改善燃料电池性能的方法,加深了对燃料电池中物质传递过程的理解和认识。主要取得了以下成果:(1)建立了一个用于描述质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极工作过程的二维、两相、多组分数学模型,模型主要考虑了多孔介质中气体的流动和扩散、水的传递以及催化层中的电化学反应。(2)利用COMSOL Multiphysics软件求解物质传递方程组和电化学动力学方程,得到阴极催化层中液态水饱和度、氧气浓度分布和电化学行为。讨论了电流密度、气体压力、阴极催化层孔隙率对液态水饱和度和氧气传输的影响。(3)设计了一种包含有序物质通道的阴极催化层结构,并通过二维、两相、多组分轴对称数学模型求解。该结构有望减小气体、液态水在阴极催化层中的传递阻力,提高了阴极催化层中整体氧气浓度,缓解了阴极催化层中的水淹问题。(4)通过改变催化层沟道的宽度(D=10-100μm),模拟获得PEMFC工作在不同电流密度时性能与沟道宽度的依赖性。结果表明在催化层上刻20μm宽度的沟道不太影响活性面积,但可使得传质性能得到显著提升,并得到实验结果的证实。该研究为解决PEMFC中阴极催化层传质问题提供一种可行的解决方案。