PEM燃料电池阴极特性分析

PEM燃料电池阴极特性分析

摘要 PEM燃料电池，以氢能源为发电原料，具有节能环保的特征。PEM燃料电池的应用逐渐广泛，为了提高应用的效率，同时降低成本，需全面研究PEM燃料电池的阴极特性，维护电池的性能，保障PEM燃料电池的利用率。由此，本文以PEM燃料电池为研究对象，探讨阴极特性的相關内容。

关键词 PEM燃料电池；阴极；特性

PEM燃料电池，属于一类低温燃料电池，工作时的温度范围在313～353K范围中。PEM燃料电池中的质子交换膜，区分了阴极和阳极，其中阴极的特性研究，是一项重要的工作，其可挖掘出PEM燃料电池的实践价值，降低投入成本的同时，提高PEM燃料电池的性能。

1 构建研究模型

PEM燃料电池的阴极，发生氧化还原反应，根据反应类型，构建分子研究的模型，明确PEM燃料电池阴极反应的机理。模型中，为了反馈出PEM燃料电池的阴极特性，专门从分子层的角度，实行模拟研究，采用量子化学从头计算的方法，专门求解阴极反应中的原子核以及电子体系，明确阴极反应中的原子核状态。模型中，需要配合GAMESS软件，采用非经验方法，计算模拟软件。PEM燃料电池阴极特性的研究模型，其功能、方法及模型分析，如下：

1.1 功能

模型在PEM燃料电池阴极特性研究中，必须具备以下几点功能，如：①预测阴极反应中的振动频率，计算出反应势能面；②分析能量梯度，优化电池结构中的计算力常数；③分析阴极反应中的电子性能，尤其是电子自旋、电荷聚集等；④对阴极反应体系实行自洽场迭代；⑤赌气阴极反应中的分子与原子特性，运用对称的方法分类；⑥构建专业的体系基函数；⑦计算出双电子积分与单电子积分；⑧预测阴极的波函数。

1.2 方法

PEM燃料电池阴极特性模型构建时，采用变分法和自洽场两种方法，完善特性研究的过程[1]。变分法在阴极特性研究中，采用最低能量的方法，求出阴极介质的最低能级，进而获取阴极的能量特性。自洽场的方法，按照阴极中的分子、原子，选择不同的计算方法，例如：阴极反应后的原子自洽场，可以通过模型，获取原子的能量，得到原子的动能，同时还能研究阴极反应中，电子和原子之间的作用及能量。

1.3 模型

PEM燃料电池阴极特性模型构建时，以二电子反应为理论基础，通过电化学反应及能量变化，控制阴极的反应速度。阴极特性具有灵活性的特征，PEM燃料电池阴极的每个反应，都有可能生成对应的产物，按照氧化还原的原理，列举模型中可能存在的几项化学反应，公式为：O2+H→O2H，O2H+H→H2O2，H2O2+H→H2O+OH，OH+H→H2O，模拟阴极反应，了解PEM燃料电池阴极反应的结构状态及能量分配。

2 模拟阴极反应

PEM燃料电池阴极特性研究中，模拟阴极反应要在酸性的条件中，通过阴极材料Pt，研究氧化还原反应的特性[2]。PEM燃料电池阴极反应期间，环境内的O2，吸附到阴极Pt表层，利用质子交换膜，与阴极的H+接触，在外电路的作用下，模拟阴极的电子反应，生成了产物H2O。阴极反应模拟中，分为两种，分别是二电子、四电子反应，在模型模型时，可以单独分离四个H+和电子，进行模拟分析。

首先阴极模拟中，调节好温度与反应时间，促使一个H原子与两个氧原子结合，模拟分子结合时的动力选型，H原子接近一个氧原子，构成H-O键，继续进行分子运动，再结合另外的氧原子，形成O2H产物，如果模拟中，保持稳定的原子结构，阴极特性也趋于稳定，O2H会分解成OH和O，在阴极释放能量，PEM燃料电池阴极长时间达到能量平衡的状态，经过长时间反应后，阴极仍旧没有H2的加入，此时阴极反应，会趋向于更稳定的结构发展，释放更多的能量。

第二是模拟低温环境，研究PEM燃料电池的阴极特性[3]。模拟时，采用低温环境，以上文中的O2H反应物为基础，设计动力学模拟，向模型中，加入H2，模型中新增的H原子，向O2端移动，形成了产物O2H2，经过反应后，分解为两个OH单位，吸附在阴极的Pt表层。阴极特性模型中，如果加入的H2，没有和O2结合，而与模型中另外的H原子结合，就会以H2的形式从阴极溢出，无法形成吸附，进而脱离了吸附，表现出不稳定的结构状态。

第三在前两次模型模拟中，继续在PEM燃料电池阴极位置，加入H原子，新增H原子朝向O原子移动，与氧原子结合，阴极原有的Pt位置，O原子的吸附键断开，生成了H2O，以水的形式排放，同样无法形成吸附。

3 阴极特性分析

PEM燃料电池阴极特性分析中，模拟了阴极氧还原的过程，在此基础上，分析阴极的几点特性[4]。如：①阴极的氧还原过程，每个阶段均为放热反应，具有过滤态特征的放热反应，最接近稳定的反应产物；②阴极反应的模拟中，第一步和第三步中，涉及过滤态，此类反应能够聚集较多的反应能量，决定了PEM燃料电池阴极燃料电池的特征，正常温度下，阴极反应的速率低，可以利用催化剂，提高阴极反应水平，进而提高PEM燃料电池的工作效率；③反应模拟中，Pt催化剂材料，改善了氧化还原的反应过程，其对电池的性能有着一定程度的影

响，可以通过催化剂研究，完善PEM燃料电池的研发，降低成本的同时，维护电池的效率。

4 结束语

PEM燃料电池阴极特性的研究中，需要先构建研究模型，在此基础上，模拟阴极的反应，进而分析阴极特性，明确PEM燃料电池阴极的实际反应。阴极特性在PEM的燃料电池中，起到决定性的作用，必须明确阴极的特性，才能提高PEM燃料电池的使用性能，发挥此类电池节能、环保的优势。

参考文献

[1] 蔡小玉.PEM燃料电池阴极特性分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2013.

[2] 刘健.HT-PEM燃料电池流场传质分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2015.

[3] 宋文帅，高温PEM燃料电池阴极反应机理及电池特性试验[D].沈阳：沈阳建筑大学，2015.

[4] 高晓佳，孙红，张珂.PEM燃料电池阴极催化剂层特性[J].沈阳：辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008，（02）：282-284.