质子交换膜燃料电池水两相迁移模型研究

"质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移 (2005年)" 本文主要探讨了质子交换膜燃料电池（PEMFC）内部水分传输和分布的两相流模型。作者基于混合流动模型构建了一个全新的二维两相流模型，该模型特别之处在于将催化剂层视为具有实际厚度的实体组成部分，嵌入到电极结构中。这个模型涵盖了燃料电池电极中的流体动力学方程、组分传输方程，以及催化剂层和质子交换膜内的电势和电流密度分布方程，因此能够应用于阴极和阳极两侧。 在PEMFC中，水分管理至关重要，因为它直接影响到电池性能。模型特别关注相变过程中液相和气相之间的动量变化，这对于理解水分在阴极、阳极以及质子交换膜中的传输规律和分布状态极其关键。通过模拟研究，作者发现以下几点： 1. 提高加湿温度：这会导致质子交换膜中的水分含量增加，因为更高的湿度使得更多的水分子进入膜内，从而提高质子传导率，有助于电子的传输。 2. 增加电流密度：当电流密度增加时，水的生成速率也随之增加，这同样会增加质子交换膜中的水分含量，但同时也会导致阴极区域液态水的积累，可能加剧阴极的浓差极化，即由于物质浓度梯度引起的电压损失。 3. 降低电池温度：在较低的温度下，水分更易在膜内保持液态，提高质子传导效果。然而，过低的温度可能导致水分冻结，阻碍反应，因此需要找到合适的平衡点。 这些发现对于优化燃料电池的设计和运行条件具有指导意义，例如，可以通过调整加湿温度和电流密度来控制水分状态，以提高电池效率并防止潜在的性能问题，如水分积聚导致的阴极阻塞。此外，该研究也强调了对质子交换膜燃料电池内部复杂水分行为的深入理解对于提升电池性能的重要性。 关键词：燃料电池；质子交换膜；两相流模型；电流密度 中图分类号：TK91 文献标识码：A 文章编号：0253987X (2005)11—1177—05 这项工作是工程技术领域的一篇论文，揭示了质子交换膜燃料电池水分管理的关键科学问题，为后续的研究和实际应用提供了理论依据。