質(zhì)子交換膜燃料電池仿真模型研究進(jìn)展

李政翰，涂正凱

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，已成功應(yīng)用在航天、汽車、固定式發(fā)電和便攜式電源等多個領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池具有許多優(yōu)勢和潛力，主要包括：高效率，即質(zhì)子交換膜燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，效率在40%～60%；低排放，即質(zhì)子交換膜燃料電池唯一產(chǎn)物為水，可以實(shí)現(xiàn)零排放；結(jié)構(gòu)簡單且可模塊化，即質(zhì)子交換膜燃料電池由單電池構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要進(jìn)行組裝。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是可能替代傳統(tǒng)動力裝置的新型能源裝置。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane， PEM）、 催 化 層（catalyst layer，CL）、氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）、雙極板（bipolar plate，BP）四個部件組成。氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池中，氫氣和氧氣分別通過流道輸送，經(jīng)氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散到催化層參與反應(yīng)。氫氣在陽極催化劑表面被氧化，產(chǎn)生質(zhì)子和電子。電子通過外部電路形成電流，到達(dá)陰極與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧離子。質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜與陰極的氧離子發(fā)生反應(yīng)生成水。水在陰極催化層生成，一部分通過陰極氣體擴(kuò)散層從陰極流道排出，一部分穿過質(zhì)子交換膜最后從陽極流道排出。

燃料電池內(nèi)部包含的現(xiàn)象十分復(fù)雜，包括電化學(xué)反應(yīng)、電荷傳輸、質(zhì)量傳輸以及三維傳熱等過程。由于燃料電池緊湊的結(jié)構(gòu)以及催化膜的高成本，通過實(shí)驗對燃料電池的內(nèi)部現(xiàn)象進(jìn)行研究技術(shù)上存在難度且成本花費(fèi)過高。……