質(zhì)子交換膜燃料電池綜述

燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效率地、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)化率高、功率密度高、啟動(dòng)快和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年發(fā)展最快的一類(lèi)燃料電池。文獻(xiàn)[1]對(duì)基于酸摻雜聚苯并咪唑類(lèi)膜的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行了綜述介紹；文獻(xiàn)[2]對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及魯棒模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[3]對(duì)質(zhì)子交換膜電解池中二甲氧基甲烷的電化學(xué)重整進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[4]質(zhì)子交換膜燃料電池的五態(tài)解析模型進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[5]對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池中流場(chǎng)雙極板的分析和建模進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[6]對(duì)用于質(zhì)子交換膜燃料電池和甲醇燃料電池陰極氧還原反應(yīng)的高活性強(qiáng)氧化物固溶體電催化劑進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[7]對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模與仿真進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[8]對(duì)在低相對(duì)濕度下用于質(zhì)子交換膜燃料電池的基于多金屬氧酸鹽的氧化石墨烯/磺化（亞芳基醚酮）多嵌段共聚物復(fù)合膜進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[9]對(duì)用于質(zhì)子交換膜燃料電池陰極水管理中氣體擴(kuò)散層的超疏水聚丙烯腈納米纖維進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[10]對(duì)三維質(zhì)子交換膜燃料電池模型：雙通道和開(kāi)孔泡沫流動(dòng)板的比較進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[11]對(duì)用于預(yù)測(cè)缺氧時(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓和氫氣排放的瞬態(tài)模型進(jìn)行了介紹。

1　基于酸摻雜聚苯并咪唑類(lèi)膜的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池[1]

目前，燃料電池已被認(rèn)為是最佳的清潔能源。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）是非常有效且綠色的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，已經(jīng)在汽車(chē)以及發(fā)電等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。根據(jù)工作溫度的不同，質(zhì)子交換膜燃料電池可分為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池和低溫質(zhì)子交換膜燃料電池兩類(lèi)，與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池相比，高溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有一些潛在的好處，例如一氧化碳耐受性較好，催化反應(yīng)較為容易，熱量管理和濕度管理更加簡(jiǎn)單。

聚苯并咪唑膜和功能化聚苯并咪唑膜具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，它們已經(jīng)被應(yīng)用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池中。酸摻雜聚苯并咪唑（PBI）膜可以使用不同的方法合成，包括常規(guī)吸入和多聚磷酸（PPA）工藝。與使用其他工藝制備相比，PPA工藝處理的膜表現(xiàn)出更好的使用效果。為了提高通過(guò)膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，無(wú)機(jī)酸摻雜對(duì)于PBI膜是必不可少的。

膜電極組件是高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的核心，由PBI膜以及由兩個(gè)鉑催化劑和氣體擴(kuò)散電極組成的三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。氣體擴(kuò)散電極的制造技術(shù)對(duì)整個(gè)電池性能非常重要。氣體擴(kuò)散電極的制造過(guò)程中需要考慮催化劑油墨分布、催化劑顆粒的聚集以及鉑利用率。在高溫質(zhì)子交換膜燃料電池中，傳統(tǒng)的碳載體材料氣體擴(kuò)散電極具有較高的腐蝕速率。但是，多壁碳納米管催化劑載體具有獨(dú)特的抗腐蝕性能。在多壁碳納米管上使用的少量納米級(jí)鉑催化劑可以更好的催化反應(yīng)，從而減少鉑的使用量。在高溫下，氣體擴(kuò)散電極會(huì)增加催化劑團(tuán)聚，導(dǎo)致催化劑燒結(jié)問(wèn)題。但是，這些問(wèn)題可以通過(guò)使用高適應(yīng)性的催化劑粘合劑來(lái)解決。目前耐用性仍然是PBI膜商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。

2　質(zhì)子交換膜燃料電池的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及魯棒模型預(yù)測(cè)控制[2]

在各種燃料電池類(lèi)型中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其高能效，低污染物排放，快速啟動(dòng)和低操作溫度而引起了廣泛的關(guān)注。PEMFC可以將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。PEMFC主要由陽(yáng)極流道、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層（GDL）、陽(yáng)極催化層、膜、陰極催化層、陰極GDL以及陰極流道七部分組成。

通過(guò)穩(wěn)態(tài)性分析來(lái)選擇PEMFC的最佳工作點(diǎn)。結(jié)果表明，最佳工作點(diǎn)的電流密度為0.51A/cm2，電池電壓為0.59V，功率密度為0.30W/cm2，電池溫度為332K。通過(guò)電流密度的階躍變化、入口處空氣和燃料的摩爾流量和溫度來(lái)研究電池電壓和溫度對(duì)PEMFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外，通過(guò)自我優(yōu)化控制來(lái)尋找良好的控制變量，并且將相對(duì)增益陣列RGA作為可控性指數(shù)，用于配對(duì)合適的輸入輸出。通過(guò)基于不確定多面體方法的模型預(yù)測(cè)控制（MPC）和離線魯棒MPC算法的線性時(shí)不變系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)PEMFC的控制。為了確保PEMFC模型能夠可靠地預(yù)測(cè)PEMFC的性能，將模擬的極化曲線與文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。仿真結(jié)果與文獻(xiàn)非常吻合，證實(shí)了本研究中實(shí)施的動(dòng)力學(xué)模型是可靠的。動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果顯示電池溫度和燃料電池電壓取決于入口處燃料和空氣的流量、溫度以及電流密度。MPC控制器的性能可將常規(guī)輸出移至設(shè)定值。在模型不確定性下，穩(wěn)健的MPC可以將電池電壓和溫度控制到設(shè)定點(diǎn)。所以所提出的控制器可以保證PEMFC的穩(wěn)定性。

3　質(zhì)子交換膜電解池中二甲氧基甲烷的電化學(xué)重整：一種低溫燃料電池產(chǎn)生清潔氫氣的方法[3]

直接甲醇燃料電池是直接利用甲醇水溶液作為燃料，氧或空氣作為氧化劑的一種燃料電池。雖然甲醇電化學(xué)活性與氫氧燃料電池比起來(lái)相對(duì)較低，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料補(bǔ)充方便、體積和質(zhì)量比能量密度高、紅外信號(hào)弱等特點(diǎn)。二甲氧基甲烷的電氧化（DMM）是直接甲醇燃料電池（DFMC）用以產(chǎn)生清潔的氫氣的氧化還原反應(yīng)，DMM一般發(fā)生Pt-Ru陽(yáng)極上。當(dāng)陰極室在1bar壓力下充滿氣態(tài)氫時(shí)DMFC的Pt/C氧陰極可作為參比電極。所以，它能記錄DMM氧化循環(huán)的伏安圖和極化曲線，其用以研究DMFC在催化劑作用下Pt-Ru/C陽(yáng)極處的氧化動(dòng)力學(xué)。通過(guò)測(cè)定Pt-Ru陽(yáng)極電氣特性以及電解實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)DFMC產(chǎn)生氫氣過(guò)程進(jìn)行電化學(xué)重整。

DMM的電解是在電池溫度25-85℃下以不同濃度的DMM（0.5M-4M）以恒定電流強(qiáng)度（5mA-800mA）進(jìn)行。同時(shí)，在每個(gè)電流強(qiáng)度下記錄電解槽的電池電壓以及產(chǎn)生的氫量。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電能消耗量在1.1 kWh/(Nm3)以下時(shí)，電池在15分鐘后穩(wěn)定并且電壓一直低于0.50V。同時(shí)結(jié)果顯示，產(chǎn)生的氫氣量是電流密度與電解時(shí)間的線性函數(shù)，因此，在給定的電解時(shí)間（此處15分鐘）下產(chǎn)生的氫氣的量?jī)H取決于電流強(qiáng)度，與DMM濃度、電池電壓和其溫度無(wú)關(guān)。另一方面，消耗的電能與電池電壓成正比，因此電能消耗量很大程度上取決于在給定電流密度下陽(yáng)極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)情況。

4　質(zhì)子交換膜燃料電池的五態(tài)解析模型[4]

質(zhì)子交換膜燃料電池（也稱為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池或PEMFC）是通過(guò)氫和氧發(fā)電的設(shè)備。由于PEMFC系統(tǒng)需要控制系統(tǒng)壓力，溫度和氣體流量，這使得該系統(tǒng)本身變的十分復(fù)雜，不利于在實(shí)際中應(yīng)用。為了在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)期間提高燃料電池系統(tǒng)性能，開(kāi)發(fā)和分析非線性數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵步驟。因此質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)的完全非線性動(dòng)態(tài)控制數(shù)學(xué)模型的建立就顯得十分必要。

該模型被構(gòu)造為非線性五態(tài)空間模型。這五個(gè)模型包括：PEM燃料電池堆非線性數(shù)學(xué)模型、陰極模型、陽(yáng)極模型、出口壓力和堆疊電壓模型。每個(gè)狀態(tài)方程的推導(dǎo)都是基于理想氣體混合物的熱力學(xué)理論、物理守恒定律、蛇形流動(dòng)通道中的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)以及擴(kuò)散物理基本原理。所提出的模型的輸出，疊加電壓包括燃料電池中發(fā)生的三種主要類(lèi)型的損耗都是由能斯特方程發(fā)展而來(lái)。模型的未知參數(shù)則是由多組穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)和擬合出來(lái)的。所提出的模型的堆疊極化曲線則是通過(guò)使用三組不同入口壓力值的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

用于獲取數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)裝置是通過(guò)Greenlight Innovation G60燃料電池測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)和TP50燃料電池堆來(lái)控制燃料電池溫度、陰極和陽(yáng)極側(cè)的入口壓力、進(jìn)入燃料電池的氫氣和空氣濕度等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，證實(shí)該模型具有很好反應(yīng)出PEMFC系統(tǒng)的特性。

5　質(zhì)子交換膜燃料電池中流場(chǎng)雙極板的分析和建模[5]

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池中非常關(guān)鍵的一個(gè)部件,其性能的好壞很大程度上影響了燃料電池的性能，而且影響電池的成本,成為燃料電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

因?yàn)殡p極板上的流道決定了反應(yīng)劑與生成物在流場(chǎng)內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)、電池的散熱能力以及電池長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。雙極板的成本一般約為堆疊總成本的60%。經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙極板可以提高整體堆疊50%的性能。

本文從雙極板材料、通道配置、肋的尺寸和形狀、液體的流向、流道中的壓降、流場(chǎng)通道和反應(yīng)物之間的傳熱以及流場(chǎng)通道和電極之間的傳質(zhì)等角度對(duì)雙極板進(jìn)行了建模分析。采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程描述整個(gè)區(qū)域的傳遞現(xiàn)象,而用不同的源項(xiàng)和相應(yīng)的物性參數(shù)反映不同性質(zhì)的層。結(jié)果顯示：流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)不僅可以提高性能，還可以降低多達(dá)50%成本；增加肋的比率將會(huì)增加電壓損失；至于流動(dòng)的方向，只要將陽(yáng)極壓在陰極上以增強(qiáng)壓縮壓力同時(shí)使膜中的偏轉(zhuǎn)最小化，液體的流向就不會(huì)對(duì)電池性能有影響；流道中壓降需要最小化的設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要滿足壓力損失不超過(guò)入口初始?jí)毫Φ?0%；死區(qū)造成的旁路效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致性能明顯降低，因此，應(yīng)盡可能減小旁路比例。

6　用于質(zhì)子交換膜燃料電池和甲醇燃料電池陰極氧還原反應(yīng)的高活性強(qiáng)氧化物固溶體電催化劑[6]

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）被認(rèn)為是具有前途的清潔能源，但是由于使用昂貴的貴金屬的電催化劑制約了它的實(shí)際應(yīng)用。為了降低PEMFC的成本，研究人員致力于開(kāi)發(fā)出非貴金屬基電催化劑?；诜琴F金屬的電催化劑如三氧化鎢（WO3）和碳化鎢已被廣泛研究用于PEMFC。與貴金屬電催化劑相比，非貴金屬基電催化劑具有優(yōu)異的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性，它的鑒定與開(kāi)發(fā)對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化開(kāi)發(fā)具有重要意義。這種具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電化學(xué)性能的非貴金屬電催化劑將極大地降低PEMFCs的投資成本。

利用密度泛函理論中的第一原理方法計(jì)算不同組成的(W1-xIrx)Oy(y=3)電催化劑的電子性質(zhì)，同時(shí)使用該方法確定了WO3和IrO2固體溶液電催化劑可以用于PEMFC中的氧還原反應(yīng)（ORR）。通過(guò)兩步濕法化學(xué)合成不同組成的納米結(jié)構(gòu)化的（W1-xIrx）Oy（x=0.2,0.3），其中在第一步中合成WO3納米顆粒，第二步合成固溶體。通過(guò)產(chǎn)生用于氧還原反應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)（W1-xIrx）Oy（x=0.2,0.3;y=2.7-2.8）電催化劑驗(yàn)證上面計(jì)算的電子性質(zhì)。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在0.9V條件下（W0.7Ir0.3）Oy的電化學(xué)活性比Pt/C提高約43%。此外，單個(gè)PEMFC研究顯示（W0.7Ir0.3）Oy的最大功率密度比Pt/C提高約81%，并且具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

7　質(zhì)子交換膜燃料電池的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模與仿真[7]

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其高效率，高能量密度和低腐蝕性的特點(diǎn)被認(rèn)為是十分有前景的燃料電池。PEMFC的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)影響著內(nèi)部的液體流動(dòng)，從而影響其性能。

本文提出了一種等溫三維單相模型來(lái)評(píng)估具有蛇形通道的PEMFC。該模型將2個(gè)氣體擴(kuò)散層兩個(gè)電催化劑，質(zhì)子交換膜以及14個(gè)蛇形通道（陽(yáng)極和陰極）作為計(jì)算區(qū)域。使用基于有限元方法的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)質(zhì)量、動(dòng)量和電化學(xué)方程同時(shí)求穩(wěn)態(tài)條件下的解。為了驗(yàn)證模型有效性，將計(jì)算的數(shù)值結(jié)果與從膜電極組件收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

通過(guò)模型擬合催化劑的交換電流密度參數(shù)以校準(zhǔn)結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出良好的一致性，并預(yù)測(cè)使用具有更高表面積和Pt含量的催化劑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更高的電流密度。通過(guò)模型估計(jì)氧氣、氫氣和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、速度大小和壓力分布。結(jié)果顯示：在陰極側(cè)，氧氣含量沿著液體流動(dòng)方向顯著減??；陰極的水分增加；在陽(yáng)極側(cè)，水分的減少和氫含量增加。此外，通過(guò)驗(yàn)證的模型還預(yù)測(cè)了壓力和溫度對(duì)電流密度的影響。溫度和壓力的一定程度提高有助于電池性能的提高。這是由于質(zhì)子傳導(dǎo)率和可逆電壓的提高所導(dǎo)致的。而且，更高的電池溫度改善了反應(yīng)物的運(yùn)動(dòng)，催化活性，從而增加了電流密度。

8　在低相對(duì)濕度下用于質(zhì)子交換膜燃料電池的基于多金屬氧酸鹽的氧化石墨烯/磺化（亞芳基醚酮）多嵌段共聚物復(fù)合膜[8]

聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）由于其高效能性、應(yīng)用廣泛以及發(fā)電系統(tǒng)清潔環(huán)保而得到了廣泛的研究。聚合物電解質(zhì)膜（PEM）（磺化聚亞芳基醚酮（SPAEK）膜）是PEFC的核心組分，由于良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)性，PFSA膜已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用。但是在低濕度狀態(tài)下SPAEK膜顯示出低質(zhì)子傳導(dǎo)性，因此，在低相對(duì)濕度下使用SPAEK膜的燃料電池的性能將會(huì)受到限制。

為了解決在低相對(duì)濕度燃料電池性能受限的問(wèn)題，文中提出了一種在低相對(duì)濕度下使用的質(zhì)子交換膜：磺化聚亞芳基醚酮（SPAEK）多嵌段共聚物膜。這種多嵌段共聚物膜是將磷鎢酸修飾的氧化石墨烯（PW-mGO）混入到SPAEK嵌段共聚物膜中以改善質(zhì)子傳導(dǎo)性而實(shí)現(xiàn)的。

SPAEK/PW-mGO復(fù)合膜比原始SPARK膜具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性。在80°C相對(duì)濕度25%的條件下，配置了SPAEK/PW-mGO復(fù)合膜的燃料電池顯示出更好的的電池性能。在上述條件下，SPAEK/PW-mGO復(fù)合膜燃料電池最大功率密度為772mW/cm2，而原始SPAEK膜燃料電池最大功率密度為10mW/cm2。與NRE-212膜相比，SPAEK/PW-mGO復(fù)合膜的最大功率密度是其4.8倍。此外，SPAEK/PW-mGO復(fù)合膜的最大電流密度（2271 mA/cm2）遠(yuǎn)高于原始SPAEK膜（39 mA/cm2）和NR-212膜（734 mA/cm2）。

9　用于質(zhì)子交換膜燃料電池陰極水管理中氣體擴(kuò)散層的超疏水聚丙烯腈納米纖維[9]

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池被認(rèn)為是一種很有前途的能夠用替代天然資源進(jìn)行發(fā)電以及其他形式的動(dòng)力輸出。在氣體擴(kuò)散層（GDL）的最優(yōu)水管理是燃料電池的高性能的關(guān)鍵。氣體擴(kuò)散層（GDL）中的合適的水管理對(duì)于燃料電池的高性能至關(guān)重要。

GDL的基本功能包括將反應(yīng)氣體從流動(dòng)通道有效地輸送到催化劑層、將液態(tài)水從催化劑層排出到流動(dòng)通道，并傳導(dǎo)低濕度的電子。理想的GDL可以在不阻礙氣體輸送的情況下從電極上去除水分。而且，GDL應(yīng)該是導(dǎo)電的，以便它可以在流動(dòng)通道的導(dǎo)體和催化劑層之間移動(dòng)電子。為了滿足這些要求，GDL應(yīng)該具有50-90%的高疏水性，高導(dǎo)電率的特點(diǎn)

為了制備滿足要求的GDL,首先將聚丙烯腈（PAN）溶解在溶劑中，然后在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下280℃條件下穩(wěn)定1小時(shí)生成PAN納米纖維，再在850℃碳化1小時(shí)。使用超疏水性和親水性試劑對(duì)碳化PAN納米纖維的表面疏水性進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終形成超疏水PAN納米纖維。通過(guò)多種非原位實(shí)驗(yàn)以分析超疏水PAN納米纖維GDL的熱力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和電性能。結(jié)果顯示超疏水PAN納米纖維GDL的這些性能都比傳統(tǒng)的GDL更好。超疏水PAN納米纖維GDL具有疏水區(qū)域和親水區(qū)域，疏水區(qū)域?qū)⑺畔蛴H水區(qū)域，親水區(qū)域借助空氣流吸收并排出燃料電池中的水，以減少電極上的水分從而實(shí)現(xiàn)了GDL最優(yōu)水管理。

10　三維質(zhì)子交換膜燃料電池模型：雙通道和開(kāi)孔泡沫流動(dòng)板的比較[10]

PEM（質(zhì)子交換膜）燃料電池是一種低溫電化學(xué)裝置，在許多應(yīng)用中為傳統(tǒng)動(dòng)力源和其他類(lèi)型燃料電池提供了補(bǔ)充，是綠色的替代方案。通過(guò)PEM燃料電池模型的模擬，可以幫助分析燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，并且可以更好的對(duì)PEM燃料電池中的傳輸效應(yīng)，液體形成和電化學(xué)活性進(jìn)行理解、預(yù)測(cè)、控制以及優(yōu)化。

本文開(kāi)發(fā)了一種三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)電化學(xué)質(zhì)子交換膜燃料電池模型（圖1、圖2）。同時(shí)使用開(kāi)孔多孔泡沫材料作為流動(dòng)板，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)開(kāi)孔泡沫流動(dòng)板與雙通道流動(dòng)板進(jìn)行比較，而且還研究其作為質(zhì)子交換膜燃料電池中常規(guī)流動(dòng)板材料的替代物的可行性。無(wú)論在模擬和還是實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果都表明，與雙通道燃料電池相比，開(kāi)孔多孔泡沫材料流動(dòng)板的燃料電池從入口到出口氫氣和氧氣的分配更均勻，能夠更好地控制溫度和水分，質(zhì)量傳輸限制更少，更加適合作為流動(dòng)板材料。開(kāi)孔多孔泡沫材料流量可以更好的控制水分以及減少質(zhì)量運(yùn)輸損失，從而提高PEM燃料電池性能。

圖1　PEM雙通道計(jì)算域電化學(xué)模型

圖2　計(jì)算域40ppi孔隙度賽璐珞發(fā)泡模型

使用相同的膜電極組件和操作參數(shù)，通過(guò)檢查氫氣、氧氣分布以及水分活度來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀７治隽四Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)得到的IV曲線，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。通過(guò)將模型仿真得到的IV曲線結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該模型的可靠性。

11　用于預(yù)測(cè)缺氧時(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓和氫氣排放的瞬態(tài)模型[11]

質(zhì)子交換膜燃料電池是將輸入燃料（氫氣和空氣）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。由PEM的化學(xué)變質(zhì)引起的轉(zhuǎn)換（交叉）泄漏以及由此導(dǎo)致的性能退化是限制燃料電池的主要因素之一。泄漏導(dǎo)致電池中的氧含量降低，當(dāng)電池在缺氧條件下運(yùn)行時(shí)陰極氫氣排放量也會(huì)隨之升高，從而限制了電池性能。

為了預(yù)測(cè)缺氧時(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池在缺氧時(shí)的電壓以及氫氣的排放量，本文建立了一種統(tǒng)一的燃料電池模型。該模型是由正常模式（用于燃料電池正常運(yùn)行的子模型）和缺氧模式（用于燃料電池缺乏氧氣運(yùn)行的子模型）組成的分叉模型。在不考慮擴(kuò)散效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)情況下，該模型還可以在沒(méi)有氧氣留下來(lái)產(chǎn)生水時(shí)追蹤電池陰極中氫氣的釋放情況。同時(shí)該模型也可以有效的預(yù)測(cè)正常情況下的電壓以及氫氣排放量。在正常條件下，模型首先通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)（電流階躍變化）條件來(lái)對(duì)電壓相應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，然后模擬電池電壓和氫氣排放過(guò)程。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)（布置圖3）與仿真來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，在氫氣釋放濃度檢測(cè)中，仿真與觀測(cè)的結(jié)果有很好的一致性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)氫泵（電流產(chǎn)生時(shí)氫氣析出陰極的現(xiàn)象）對(duì)釋放過(guò)程有著很好的解釋作用；通過(guò)數(shù)值結(jié)果獲得的電池電壓低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這可能是假設(shè)時(shí)電壓是不變的，但是實(shí)際上由于泄漏現(xiàn)象導(dǎo)致電壓發(fā)生了變化所致的。

圖3　第1個(gè)商用燃料電池堆測(cè)試布置圖

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