近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心（DNL0305组）孙公权研究员和王素力研究员团队在高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC）磷酸和水的多相分布研究方面取得新进展，通过构建基于催化层团簇的三维、非等温、多组分多相HT-PEMFC模型，探究了电池内部水和磷酸的多相传递机制及其对电池性能的影响。
相比低温聚合物电解质膜燃料电池，HT-PEMFC工作温度为120至200℃，具有耐毒化能力强、水热管理简单、废热品位高等优点，在电动车辆、船舶动力电源等领域应用优势明显。但HT-PEMFC中的电解质为浓磷酸，电池运行时磷酸从阴极电迁移至阳极，引起磷酸再分布，从而影响电池内部多相传质与电化学反应。深入了解电池材料、结构和操作条件对水和磷酸多相传递的影响，对该电池发展具有重要的理论意义与应用价值。
本工作中，该团队针对磷酸和水分布实验表征难，以及以往模型多为单项模型，难以描述复杂物理过程等难题，构建了包含流场、聚合物电解质膜、催化层和扩散层的多区域多孔介质多相传递与反应模型，具体为磷酸和水的多组分多相传递模型，描述磷酸和水的对流、扩散和电迁移过程；催化层团簇模型，描述催化层材料特性及液相分率对气相反应物溶解、扩散和电化学反应影响；电势输运模型，包含电子和离子电势；能量输运模型，包含电化学反应热、欧姆热和相变热。该模型可以准确预测燃料电池性能，模型模拟结果表明，电池运行过程中磷酸从阴极向阳极的电迁移使阳极磷酸浓度高于阴极，同时阴极生成的水有约20%会以液相的形式扩散至阳极。本研究可为电池材料（膜电极厚度、孔隙率、渗透率、电导率、浸润特性、催化剂、粘结剂等）、结构（流场、电堆歧管等）和操作条件（温度、压力、进料比、燃料气组成等）的设计优化提供理论依据。
相关研究成果以“Investigation of Phosphoric Acid and Water Transport in the High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using a Multiphase Model”为题，发表在《美国化工协会期刊》（AIChE Journal）上。该工作的共同第一作者是我所DNL0305组博士研究生孙牧和黄基才副研究员。上述工作得到我所创新基金、国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 孙牧）
