质子膜燃料电池PEMFC多孔电极两尺度极化分析

"质子膜燃料电池(PEMFC)多孔电极极化的两尺度分析是针对这种电池中电极微结构特点的一种新型分析方法。该方法旨在建立一个理论模型，能够在微观团簇和宏观电极两个尺度上详细描述多孔电极内部的反应与传质、传荷的耦合过程。这一两尺度模型涉及的是一组非线性二阶微分方程，采用Adomian分解法(ADM)和Newman's BAND(J)有限差分法相结合的方式进行求解。通过氢气PEMFC阴极极化的计算实例，显示了这种方法相较于传统单尺度模型，能更好地预测包含微团尺度传质效应的极化行为，并且与实验数据更加吻合。此外，该两尺度分析新方法对于类似多相催化反应系统的理论研究具有借鉴价值。" 在这篇论文中，作者张兴芳和孙彦平探讨了质子膜燃料电池（PEMFC）的多孔电极极化问题。PEMFC是一种重要的可再生能源技术，其性能受到电极结构和微观过程的影响。传统的分析方法通常只考虑单一尺度，而这篇工作引入了两尺度分析，即考虑了微观（团簇尺度）和宏观（电极尺度）两个层次的相互作用。 在微观尺度上，多孔电极内的团簇结构对物质传输和电化学反应有着显著影响。通过建立非线性二阶微分方程组，可以描述这些微观过程如何与电荷传递相互作用。为了有效地求解这个复杂的数学模型，论文采用了Adomian分解法，这是一种非线性问题的数值解法，能够将复杂问题分解为一系列简单的子问题来逐步求解。 同时，结合Newman's BAND(J)有限差分法，可以在宏观尺度上模拟整个电极的行为，从而实现微观和宏观的耦合分析。这种方法的优势在于能够更准确地预测电极的极化特性，尤其是在考虑了微团尺度上的传质效应后，与实验观测到的极化曲线更为一致。 论文提供的氢气PEMFC阴极极化计算实例进一步证明了两尺度模型的优越性。通过对比传统单尺度模型，可以看出包含微观传质影响的两尺度模型能更好地解释实际的电池性能，这对于优化燃料电池设计和提高效率具有重要意义。 这篇论文提出的两尺度分析方法为理解和优化PEMFC的多孔电极性能提供了新的理论工具，同时也为类似多相催化反应系统的深入研究提供了参考。这种方法的创新性和实用性不仅对燃料电池领域，也可能对其他依赖于多尺度理解的能源和催化科学产生积极影响。