1、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。它不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，只要有足夠的氫氣和氧氣，就可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。因能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音低、燃料來(lái)源廣、無(wú)排放（反應(yīng)產(chǎn)物為水）等優(yōu)點(diǎn)，燃料電池已成為一種優(yōu)秀的動(dòng)力源，可用于備用電源、汽車(chē)、小型電站及軍用領(lǐng)域，應(yīng)用前景極為廣泛。燃料電池水熱管理對(duì)電池性能有重要影響，現(xiàn)階段缺少對(duì)燃

2、料電池堆內(nèi)的溫度分布研究，同時(shí)缺少系統(tǒng)且簡(jiǎn)便有效的水管理方法。本文對(duì)燃料電池堆內(nèi)溫度分布、液滴重力和尾氣冷凝在電池排水中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。
　　通過(guò)數(shù)值模擬的方法，本文研究了氣體擴(kuò)散層表面在不同條件下溫度分布特性，結(jié)果顯示：在不同操作條件下，擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer, GDL）溫度沿流道方向均上升，GDL表面溫度在進(jìn)口段溫度升高幅度要大于電池出口段，流道表面擴(kuò)散層溫度低于岸下溫度；電池操作壓力升高可提高擴(kuò)散層

3、表面溫度均一性；反應(yīng)氣體流量增大時(shí)，進(jìn)口段GDL溫度升高，出口段溫度降低，GDL表面溫度隨進(jìn)氣溫度升高而升高。
　　本文通過(guò)將微型熱電偶置于陰極流場(chǎng)，對(duì)燃料電池堆進(jìn)行溫度檢測(cè)，研究了不同操作條件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池溫度分布的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)反應(yīng)氣體為空氣與氫氣時(shí)，電堆內(nèi)溫度沿流道入口至出口逐漸升高；隨著工作電流密度的升高，電堆中各單電池內(nèi)溫差隨之增加；電堆中溫度呈現(xiàn)中間高兩邊低的“上凸曲線(xiàn)”分布；隨著空氣流量的增大，單電池內(nèi)溫差

4、逐漸減??；進(jìn)口空氣溫度對(duì)電堆內(nèi)溫差影響不大；增大冷卻水流量，電堆內(nèi)溫度均一性增加。當(dāng)反應(yīng)氣體為氧氣與氫氣時(shí)，不同操作條件下，堆內(nèi)最高溫度處于電池堆出口處；隨著電流密度的增加，各單電池內(nèi)的溫差增大；冷卻水流量減小，電池堆內(nèi)溫差變大，溫度升高；增大反應(yīng)氣體壓力，電池堆中的溫度分布更均勻。
　　通過(guò)對(duì)液滴受力進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)并制作重力輔助排水單電池，并實(shí)驗(yàn)研究了低流速重力輔助排水電池性能。結(jié)果顯示，自身重力有利于液滴脫離氣體擴(kuò)散層，使

5、液態(tài)水有效排出電池堆。電池水平放置陰極向下運(yùn)行時(shí)，液滴重力與其脫離氣體擴(kuò)散層方向一致，電池性能最佳；電池豎直放置測(cè)試時(shí)，液滴重力與氣體吹掃液滴排出電池方向一致，其向外排水能力最強(qiáng)。反應(yīng)氣體流速較低時(shí)，提高不同放置方式電池溫度，電池性能均上升；電池豎直放置運(yùn)行時(shí)，氣體加濕對(duì)電池性能影響不大。電池測(cè)試時(shí)，應(yīng)該避免電池陰極水平向上。
　　質(zhì)子交換膜燃料電池陰極尾氣中含有大量高溫飽和水蒸氣，通過(guò)對(duì)其冷凝可以分離出大量的高純度液態(tài)水，用于進(jìn)

6、氣加濕，實(shí)現(xiàn)電池的自加濕運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)尾氣冷凝電池性能研究分析后發(fā)現(xiàn)，尾氣冷凝還能增強(qiáng)電池的水管理能力，提高出口附近電池的性能。在尾氣冷凝過(guò)程中，冷凝器的散熱主要以液態(tài)水的相變潛熱為主。冷凝器的散熱量隨反應(yīng)氣體過(guò)量系數(shù)的增大而增大，隨電池堆出口壓力的增大而減小。在保證電池堆的自加濕條件下，電池堆運(yùn)行溫度越高，所需冷凝器的換熱量越大。
　　本文從數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試三方面對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其運(yùn)行特性進(jìn)行了深入研究，系