1、聚合物電解質燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC），又稱質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），是目前燃料電池研究的熱點之一。決定PEFC性能和壽命的因素眾多，且各因素之間關系錯綜復雜，相互制約。面對這樣一個復雜系統(tǒng)，單純采用實驗手段進行電池制備與操作條件的優(yōu)化，需要大量時間、耗資又耗力，還很難得到一個全面的最優(yōu)化結果。根據電化學工

2、程理論，結合流體力學、熱力學分析，建立數學模型，對PEFC系統(tǒng)過程進行模擬與優(yōu)化，是國際燃料電池研究界的一個重要方向。 本文旨在利用現有的PEFC實驗結果與理論研究基礎，建立一個可以完整合理的描述PEFC系統(tǒng)工作原理的機理模型，通過分析模型輸入參數（實驗設定值）與輸出結果（實驗目標值）之間的關系，明確電池中各物理化學過程燃料電池輸出性能的作用機理，以此對燃料電池的制備與操作條件、電池的輸出性能及電池的壽命與穩(wěn)定性等做出合理指導與

3、預測。 本文建立了一個完整描述PEFC電化學反應過程的二維穩(wěn)態(tài)數學模型。針對PEFC不同組件及其特定功能，進行模塊化建模，這些子模型包括氣道模型、陽極擴散層模型、電解質膜模型、陰極擴散層模型以及電化學反應模型等。本文建立的模型是在對Trung Van Nguyen等人的模型[18，22—30]進行修正與補充的基礎上建立起來的，建模過程主要新思路包括： （1）引入了Stefan—Maxwell方程描述擴散層對氣體傳質的阻力

4、造成的擴散層內氣體組分摩爾分數較氣道內組分的變化； （2）考慮了陰極擴散層中液態(tài)水的傳遞過程，考慮了液態(tài)水的存在對擴散層有效孔率的影響； （3）考慮了在陰極工作氣體中存在惰性氣體情況下（如PEFC以空氣作為氧化氣）對電池性能的影響情況； （4）提出了陰極進氣增濕情況下模型的修正方案。 通過改變電池不同的輸入參數，對比分析各輸入參數對電池輸出性能的作用機理發(fā)現： 若保持電池兩極氣道壓力相同，當電池平

5、均電流密度較小時（例如小于0．5A/c㎡），提高兩極氣道絕對壓力可以提高電池性能；當電池平均電流密度較高時（例如大于0．5A/c㎡），提高兩極氣道絕對壓力會導致電池性能下降；若保持陰極氣道壓力高于陽極氣道壓力，則電池的輸出性能隨兩極氣道壓力差的增大而優(yōu)化。這個結果與其他文獻報道的模型計算結果[16]不一致。但與文獻中的PEFC實驗結果的極化曲線變化趨勢[44]相一致，這表明文章模型設計精確，也是本文的重要創(chuàng)新點。 當電池工作溫度

6、較低時（例如低于80℃），在低電流密度區(qū)（例如小于0．2A/c㎡），提高電池體相溫度會對電池性能造成負面影響；而在中高電流密度區(qū)（例如大于0．2A/c㎡），提高電池體相溫度可以提高電池性能；當電池工作溫度較高時（例如高于80℃），在氣道壓力較低的情況下（例如常壓），在中低電流密度區(qū)（例如小于0．65A/c㎡），提高電池體相溫度可以提高電池性能；而在高電流密度區(qū)（例如大于0．65A/c㎡），提高電池體相溫度會使得電池性能下降。 當

7、保持電池體相溫度不變，改變兩極進氣溫度時，如果進氣溫度在較低溫度范圍內（例如低于80℃），提高進氣溫度可以提高電池性能。而如果進氣溫度較高（例如高于80℃），當電池平均電流密度在中低電流密度（例如小于0．8A/c㎡），進氣溫度升高有利于提高電池性能；在高電流密度區(qū)（例如高于0．8A/c㎡），進氣溫度升高會導致電池性能下降。 如果陰極氣流中含有惰性氣體，將導致陰極擴散層中氧氣濃度下降而使電池性能降低?？梢酝ㄟ^提高陰極氣道壓力來彌補

8、惰性氣體進氣給電池性能造成的負面影響。 陽極水氣增濕在陽極氣流中水氣含量從0．5倍陽極溫度下的飽和水氣濃度到2倍飽和水氣濃度的變化過程中，電池性能隨陽極氣流中水氣含量的提高性能有較大幅度的升高。 若在陽極燃料飽和水氣增濕過程中夾帶水，當夾帶水含量達到0．25倍飽和水氣量后，夾帶水含量的增加，對提高電池性能的作用很小。對于相同的增濕度，純水氣增濕的效果明顯好于飽和水氣加液態(tài)水增濕。 電池陰極氣流增濕在本文敘及的電池