摘要
质子交换膜(PEM)燃料电池具有高能效、适用性强、无污染等特点，已经在便携式电源和电动汽车等领域中得到了广泛应用。温度是影响 PEM 燃料电池性能的重要因素，燃料电池的性能随着温度的升高而提高。但是由于质子交换膜、催化剂等材料的特殊要求，目前国际上应用的PEM燃料电池一般工作在低温环境中(80℃以下)，对于100℃以上的高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池也有一定的研究。 HT-PEM 燃料电池的工作温度范围达到 120~180℃，解决了液态水管理、电化学反应活性，对CO的容忍性以及热量利用率等方面的难题，但同时也对电池的材料特性、流场设计等方面提出了新的要求。为了更加深入的了解HT-PEM燃料电池的工作特性，本文主要进行了下列研究工作： (1) 采用多物理场直接耦合分析软件建立直通道流场结构的单电池三维模型，在工作电压为0.5V条件下，对气体扩散层渗透率分别为1.18×10-12m2、1.18×10-11m2、1.18×10-10m2以及 1.18×10-9m2的 HT-PEM 燃料电池进行数值模拟。模拟结果得出了电池膜电流密度、阴极氧气浓度以及阴极流道中心压力的变化情况。分析表明随着扩散层渗透率的增大，有利于提高HT-PEM燃料电池的膜电流密度，且膜电流密度的变化趋势呈抛物线状；能有效降低电池阴极流道中心的压力降，降低额外功耗，改善电池内部气体传质，加快电化学反应速率，提高电池的输出性能； (2) 创建了两种不同流道结构的蛇形流场HT-PEM燃料电池三维稳态模型，分析了蛇形流场的流型以及质子交换膜电导率对燃料电池输出性能的影响。模拟结果得出三蛇形流场HT-PEM燃料电池的输出性能优于单蛇形流场，通过增加并联的蛇形通道数减少流道弯折数来降低气体流程，不仅可以将流道进出口压力降控制在合理的范围之内，而且可以使流道内反应气体分布的均匀性更好；质子交换膜电导率的增大可以增强膜的导电性，降低传质过程中的电阻损耗，提高电池的输出性能； (3) 在相同的操作条件下，对由两种流道组合而成的4种流场(两种单一流场与两种混合流场)的HT-PEM燃料电池进行了数值模拟，得出阴极氧气浓度和阴极流道中心压力均沿着气体流动方向逐渐降低，且其变化主要发生在流道的拐角处及渐变处；燃料电池的性能主要受到阴极流场形状的影响，且蛇形渐变流场的性能优于普通蛇形流场；综合考虑输出电流密度、气体分配均匀性以及额外功率损耗等因素，蛇形渐变流场的整体性能同比最好，阳极普通蛇形流场/阴极蛇形渐变流场组成的混合流场其次，普通蛇形流场再次，阳极蛇形渐变流场/阴极普通蛇形流场组成的混合流场最差。
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