一种非对称的质子交换膜燃料电池结构及其参数设计方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池催化层，特别是涉及一种非对称的质子交换膜燃料电池结构及其参数设计方法。

背景技术：

1、低温质子交换膜燃料电池工作温度介于25摄氏度至80摄氏度，水管理和热管理是其重要研究课题，在这些课题中，各个结构的厚度是首要考虑的关键结构参数，对燃料电池的性能影响深远。

2、gdl作为质子交换膜燃料电池(pemfc)中的关键组成部分，在cl和ch之间充当夹层结构，支撑cl的同时实现了导电和传热传质的桥梁作用。gdl具备在广泛电压范围内稳定的特性、优异的机械强度、高弹性抗压缩和高透气性，在低温质子交换膜燃料电池防止水淹方面发挥着关键作用。现有研究指出，gdl过薄会导致氧和液态水分布不均匀，而过厚的gdl会增加氧的运输阻力。

3、mpl作为cl和gdl中的介质层，对燃料电池的性能有重要影响，燃料电池的性能大程度上依赖mpl的特性，它在燃料电池物质的运输和分配中起着至关重要的作用。随着微孔层厚度的增加，传质收到了显著影响，导致反应位置反应气的摩尔分数大幅降低。

4、cl作为燃料电池的核心组成部分，其铂纳米颗粒、离聚物、与气体接触的三相界面承担着催化、传输离子和电子、气体扩散和排出液态水的作用。在当前研究中表明，如果cl太厚，会增加制造成本，同时降低电池性能，如果cl过薄，会影响气体的利用率，选择合适的cl厚度就显得至关重要。

5、在当前研究中所使用的方法是通过人为改变各个部分的厚度来进行分析，然而作为这种人工强干预的优化方法，具有如下缺陷：1、自变量厚度仅能在一个区间内确定，并不能确定成精确的值。2、所得到的优化结果是高度偶然的，该结果是局部最优解，并非全局最优解。3、学者们在优化时常将阴极和阳极的结构厚度设置为相同的值。然而，还有研究中指出：阳极cl厚度对氢气的催化效率与阴极cl厚度对氧气的催化效率不同，其中，阳极氢气的氧化反应(hor)直接且动力反应快，而阴极氧气的还原反应(orr)由于其过程复杂反应极其缓慢。因此，将阴极和阳极的cl厚度设置为相同的数值并不能达到优化性能和降低成本的目的。在质子交换膜燃料电池的运行过程中那么对于gdl和mpl及催化层cl组成的多孔介质区域来说，阴阳两极不同的，合适的结构厚度引起适宜速度的气体传输和热量传递不仅对燃料电池性能的提高有帮助，对燃料利用率及其系统附属机构产生的连带影响也同样不容小觑。另外，在已报道的许多质子交换膜燃料电池的相关研究中，很少涉及催化层、气体扩散层和微孔层厚度之间的交互关系，研究通常集中在单一结构厚度参数上。因此，有必要采用更合适的优化方法来解决这些不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种非对称的质子交换膜燃料电池结构及其参数设计方法，能够降低不同操作电压下的多孔介质液态水饱和度平均值，以及在提高功率密度的同时，还保证了后续反应气的顺利进入，进一步改善了燃料电池的性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种非对称的质子交换膜燃料电池结构，包括：mem层，以及以所述mem层为中心，相对设置的第一结构层和第二结构层；其中，所述第一结构层由内至外依次设置有ccl层、cmpl层和cgdl层；所述第二结构层由内至外依次设置有acl层、ampl层和agdl层；各层厚度采用非对称设计。

4、可选地，所述mem层的厚度为18μm。

5、可选地，所述ccl层的厚度为8μm。

6、可选地，所述cmpl层的厚度为30.3μm。

7、可选地，所述cgdl层的厚度为153.8μm。

8、可选地，所述acl层的厚度为4μm。

9、可选地，所述ampl层的厚度为25.5μm。

10、可选地，所述agdl层的厚度为159.4μm。

11、本发明还提供了一种非对称的质子交换膜燃料电池结构的参数设计方法，包括：

12、利用响应曲面优化方法，以阴阳两极的gdl、mpl的厚度、阳极cl的厚度温度、入口压力、阴阳极湿度等为自变量进行优化，得到了最佳功率密度下的最佳非对称阴阳两极的各厚度参数的响应关系，并根据所述各厚度参数响应关系确定非对称的质子交换膜燃料电池结构参数。

13、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

14、本发明公开了一种非对称的质子交换膜燃料电池结构及其参数设计方法，所述质子交换膜燃料电池结构包括mem层，以及以所述mem层为中心，相对设置的第一结构层和第二结构层；其中，所述第一结构层由内至外依次设置有ccl层、cmpl层和cgdl层；所述第二结构层由内至外依次设置有acl层、ampl层和agdl层；各层厚度采用非对称设计。本发明能够降低不同操作电压下的多孔介质液态水饱和度平均值，以及在提高功率密度的同时，还保证了后续反应气的顺利进入，进一步改善燃料电池的性能。

技术特征：

1.一种非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，包括：mem层，以及以所述mem层为中心，相对设置的第一结构层和第二结构层；其中，所述第一结构层由内至外依次设置有ccl层、cmpl层和cgdl层；所述第二结构层由内至外依次设置有acl层、ampl层和agdl层；各层厚度采用非对称设计。

2.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述mem层的厚度为18μm。

3.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述ccl层的厚度为8μm。

4.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述cmpl层的厚度为30.3μm。

5.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述cgdl层的厚度为153.8μm。

6.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述acl层的厚度为4μm。

7.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述ampl层的厚度为25.5μm。

8.根据权利要求1所述的非对称的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述agdl层的厚度为159.4μm。

9.一种非对称的质子交换膜燃料电池结构的参数设计方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种非对称的质子交换膜燃料电池结构及其参数设计方法，涉及质子交换膜燃料电池催化层技术领域。所述质子交换膜燃料电池结构包括：MEM层，以及以所述MEM层为中心，相对设置的第一结构层和第二结构层；其中，所述第一结构层由内至外依次设置有CCL层、CMPL层和CGDL层；所述第二结构层由内至外依次设置有ACL层、AMPL层和AGDL层；各层厚度采用非对称设计。本发明能够降低不同操作电压下的多孔介质液态水饱和度平均值，以及在提高功率密度的同时，还保证了后续反应气的顺利进入，进一步改善了燃料电池的性能。

技术研发人员：程友良,张磊,樊小朝,史瑞静,徐立军,蒋甲丁,毛绍宽,王乃潇
受保护的技术使用者：新疆工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7