燃料电池阴极催化层电化学一维物理模型【毕业作品含外文】

BI YE SHE JI

论文题目燃料电池阴极催化层电化学阻抗的一维物理模型

学生姓名

学号

所在院系材料科学与工程学院

专业班级材料物理

导师姓名职称

完成日期

任务书

燃料电池阴极催化层电化学阻抗的一维物理模型

摘要

燃料电池(Fuel Cell)可以将燃料中的化学能直接转化为电能，是最有前途的绿色能源解决方案之一。目前影响其应用的主要障碍之一来自于电池阴极的催化层的催化效率。使用物理模型研究燃料电池催化剂层的物质传输和电荷传输过程有利于加深对这个问题的理解。对研究燃料电池催化剂层这样复杂的电化学系统，阻抗谱是一个很有用的工具。将小振幅正弦电压施加在一个电化学系统上，阻抗谱可以提供比稳态极化曲线更多的信息。本论文在燃料电池涉及的电荷、质量等守恒方程的基础上，建立了燃料电池阴极层电化学阻抗的一维物理模型。在极高频的情况下，得到的解析解显示阴极催化剂层的阻抗频谱是在低频一个半圆，高频部分则是一条45°的直线。考察了在理想氧气传输条件下类似开路的小电流情况下，得到了解析解。

关键词：燃料电池，阴极催化层，阻抗谱

A physical model for catalyst layer impedance

Abstract

Fuel cell (fuel cell) is a will exists in the fuel and oxidizer in the chemical energy directly transformed into electrical energy generating device. Fuel and air were sent to fuel cell, by redox reaction to produce electrical power. from the outside look，It has positive and negative electrode and electrolyte, like a battery, but in fact it can not "reserve power" but a "power plants". And influence the battery is an important factor in the cathode catalyst layer.Impedance spectroscopy is a powerful tool for studying electrochemical systems . Response of an electrochemical system to a small-amplitude sinusoidal voltage perturbation gives more information than the steady-state polarization curve. The intersections of the impedance arcs with the real axis immediately give the main resistivities in the system. Moreover, the frequency of perturbation provides additional dimension for the system response; fitting the spectra to model equations enables to determine the kinetic and transport parameters of the system Based on conservation equations ,a physical model for impedance of the cathode catalyst layer (CCL) in a fuel cell is developed and analyzed. In all the cases, the CCL impedance spectrum is an ideal or distorted semicircle linked to the straight 45°-degree line in the high-frequency domain.

keywords:fuel cell；catalyst layer；impedance

目录

摘要...................................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................................... II 第一章绪论 . (1)

1.1燃料电池的简介 (1)

1.1.1燃料电池技术原理 (1)

1.1.2燃料电池的组成结构 (2)

1.1.3 燃料电池的基本特点 (3)

1.1.4燃料电池的发展现状 (3)

1.2电化学阻抗谱的应用及其解析方法 (3)

1.2.1基本元件 (4)

1.2.2 阻抗谱中的特殊元件 (4)

1.2.3 有限扩散层的Warburg元件-闭环模型 (6)

1.2.4 有限扩散层的Warburg元件-发散模型 (6)

1.2.5 常用的等效电路图及其阻抗图 (7)

1.2.6 混合电位下的阻抗谱特征 (14)

1.3本课题研究方向 (15)

第二章理论解析部分 (16)

2.1建立模型方程 (16)

2.1.1. Butler–Volmer 方程 (16)

2.1.2.守恒方程 (17)

2.2高频极限情况 (23)

2.3理想氧气传输情况 (25)

2.3.1.过电压平衡等式 (25)

2.3.2.小电流情况（类似OCV） (25)

第三章结论 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

外文原文 (30)

外文翻译 (37)