质子交换膜燃料电池的一维气体扩散模型研究
燃料电池气体扩散层中碳纸材料研究进展
摘要：质子交换膜燃料电池（P E M F C）是一种高效的无污染装置因而受到广泛关注。
然而，PE M F C仍存在成本高、稳定性差等问题，制约了PEMFC的大规模商业应用。
气体扩散层是PEMFC中的重要组成部分。
针对PEMFC低成本、高性能先进材料的需求，本文综述了气体扩散层基材碳纸、微孔层的改性制备、气液传输和水管理、孔结构的模拟与设计等方面的研究进展，并指出了碳纸基气体扩散层未来的发展方向。
关键词：PEMFC；碳纸改性；气体扩散层；微孔层；水管理Abstract: PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) has attracted wide attention as an efficient and pollution-free device. However, there still exist some problems such as high cost and poor stability, which restrict its large-scale commercial application. Gas diffusion layer is an important part of the cell. In order to meet the demand of low cost and high performance advanced materials for PEMFC, the research progress of carbon paper base material, preparation of microporous layer, gas-liquid transfer and water management, simulation and design of pore structure are reviewed, and the future development direction of carbon paper base gas diffusion layer is pointed out.Key words: PEMFC; carbon paper modification; gas diffusion layer; microporous layer; water management燃料电池气体扩散层中碳纸材料研究进展⊙ 陈逸菲 赵思涵 赵浩轩 郭大亮*（浙江科技学院环境与资源学院，杭州 310023）Research Progress of Carbon Paper Materials in Gas Diffusion Layers of Fuel Cells⊙ Chen Yifei, Zhao Sihan, Zhao Haoxuan, Guo Daliang *(College of Environment and Resources, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou, Zhejiang 310023, China)中图分类号：TS761.2文献标志码：A 文章编号：1007-9211(2023)24-0001-09陈逸菲 女士在读硕士研究生；从事纸基功能材料方面的研究工作。
质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙率
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种环保、高效的新能源电池，其在绿色能源领域具有广阔的应用前景。
PEMFC的关键部件之一是气体扩散层（Gas Diffusion Layer，简称GDL），它直接影响燃料电池的性能。
而在气体扩散层中，孔隙率是一个至关重要的参数，对气体和水分的传输以及电化学反应的发生有着重要的影响。
本文将就质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙率进行探讨，并分析其对燃料电池性能的影响。
一、气体扩散层的作用和结构1.1 气体扩散层的作用气体扩散层是组成质子交换膜燃料电池阴极和阳极的重要部分之一，它位于电极和双极板之间。
气体扩散层有助于将燃料气体和氧气输送到电极反应区，并将产生的水分和废气从电极反应区排出，同时还承担着电子导电和散热的作用。
1.2 气体扩散层的结构气体扩散层通常由碳纤维纸制成，具有一定的孔隙结构。
其表面通常涂有催化层，用于促进电极反应的发生。
而在气体扩散层的内部，孔隙率大小和分布对燃料电池的性能具有重要影响。
二、气体扩散层孔隙率的定义和测量方法2.1 孔隙率的定义气体扩散层的孔隙率是指气体扩散层内的孔隙空间所占的比例，通常用百分比表示。
孔隙率大小直接影响气体和水分在气体扩散层中的传输和分布，进而影响燃料电池的整体性能。
2.2 孔隙率的测量方法目前常用的测量气体扩散层孔隙率的方法包括压汞法、气体渗透法和X射线CT扫描法等。
这些方法各有优缺点，其中压汞法较为常用，可以较准确地测量气体扩散层的孔隙率。
三、气体扩散层孔隙率对燃料电池性能的影响3.1 气体传输气体扩散层的孔隙率大小影响着燃料气体和氧气在气体扩散层中的传输。
当孔隙率较大时，气体的传输速度较快，有利于保持燃料电池的正常工作。
但若孔隙率过大，会导致气体集流现象，使得部分区域的气体无法均匀地到达电极反应区，从而影响燃料电池的整体性能。
3.2 水分分布在燃料电池的工作过程中，水分的分布对气体扩散层的孔隙率有着较大的要求。
质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展陈匡胤1，李蕊兰1，童杨2，沈建华1（1 华东理工大学材料学院，上海 200237；2 中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心，北京100044）摘要：气体扩散层（GDL ）在质子交换膜燃料电池（PEMFC ）中起到支撑催化层、传输反应气体和排出反应过程中产生的水的作用，设计和优化GDL 的结构对提升燃料电池的性能有重要作用。
本文首先介绍了氢燃料电池应用前景，简述了PEMFC 的结构和工作原理，指出了目前GDL 的气液传输能力不足的问题，分析了孔结构、碳材料、微孔层微观结构、润湿性和耐久性五个因素对GDL 性能的影响，并归纳了当前的研究进展，同时还涵盖了与GDL 内传质过程相关的建模方法。
最后总结了影响GDL 性能的各种因素，并对质子交换膜燃料电池内的GDL 发展进行了展望，指出用新型金属泡沫材料代替传统碳材料构建气体扩散层-双极板集成结构从而缩短传质路径并降低传质阻力，提出利用新兴的3D 打印技术去构建高精度具有复杂结构的气体扩散层。
本综述对未来优化GDL 结构、提高燃料电池性能具有一定的指导意义。
关键词：燃料电池；气液两相流；优化设计；传质；数值模拟中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0246-14Structure design of gas diffusion layer in proton exchange membranefuel cellCHEN Kuangyin 1，LI Ruilan 1，TONG Yang 2，SHEN Jianhua 1(1 School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2High Technology Research and Development Center ，Ministry of Science and Technology of the People s Republic ofChina ，Beijing 100044，China)Abstract: Gas diffusion layer (GDL) plays an important role in supporting the catalytic layer andproviding the transmission access of gas and water in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Designing and optimizing the structure of GDL significantly influence the performance of fuel cell. In this paper, the application prospect of hydrogen fuel cell and the structure and working principle of PEMFC are briefly introduced. The problem of insufficient gas-liquid transmission capacity of GDL is pointed out and the effects of pore structure, carbon material, and microstructure of microporous layer, wettability and durability on the performance of GDL are analyzed. This review also summarizes the current research progress of GDL including the modeling studies. Finally, various factors affecting the performance of GDL are summarized, and the development of PEMFC is prospected. It is pointed out that novel metal foammaterials could replace the traditional carbon materials to construct the GDL-BP integrated structure with综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1102收稿日期：2023-07-03；修改稿日期：2023-09-26。
质子交换膜燃料电池气体扩散层的结构设计及传质优化
质子交换膜燃料电池气体扩散层的结构设计及传质优化好了，今天咱们聊聊一个挺“酷”的东西——质子交换膜燃料电池。
听名字就很高大上对吧？它就是一种能把氢气和氧气“化学反应”变成电的设备。
你想啊，这东西不就像个“超级电池”吗？但是要想它发挥出最大的威力，可得从一个关键部分说起，那就是气体扩散层。
这个小小的“层”可真不简单，它在整个燃料电池的工作中，担负着一大堆重要的任务，绝对是个“功臣”。
所以今天，我们就来扒一扒这气体扩散层的结构设计，顺便聊聊怎么优化它的传质效果。
话说回来，谁能想到这看似不起眼的小层，会和效率、寿命，甚至能耗，扯得上关系？咱得搞清楚，气体扩散层到底是什么。
简单来说，它就像一个过滤器，主要作用就是把氢气、氧气均匀地分配到电池的各个小区域。
也许你会想，这不就是“让气体平衡一下嘛”？对！就是这么简单，又这么复杂。
别看它像个“背锅”的小角色，实际上，如果气体扩散层出了问题，燃料电池的整个工作都得打折扣。
你想，要是氢气不均匀分布，电池就没法高效地进行反应，功率就会下降；甚至如果气体供应不足，电池可能直接“罢工”。
所以，如何设计一个合适的气体扩散层，成了燃料电池技术中的一大挑战。
气体扩散层的设计其实蛮讲究的，真不是“随便一做就能过关”的。
你得考虑它的厚度、孔隙率、导电性，甚至表面粗糙度。
别以为这些技术细节无关紧要，往往一个小小的调整，就可能影响到整个电池的表现。
比如，气体扩散层太厚，氢气可能穿不过去；太薄，又可能导致压力不均，反而不好使。
它的孔隙率也是个微妙的地方，太多孔隙，可能会影响它的机械强度；孔隙太少，气体扩散效果差，功率就不行。
所以说，气体扩散层的结构设计，真的是个“高难度的平衡术”。
咱就得提到一个核心问题了——传质。
别看气体扩散层的作用是“均匀分配”，但它的本质任务，其实是帮助氢气和氧气进行传质交换。
打个比方，就像你和朋友聊天，必须有“通道”才能顺畅沟通。
气体扩散层就是这个“通道”。
氢气和氧气要通过这个通道，进入质子交换膜，进行化学反应生成电能。
质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展
质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展
郭泽胤;万成安;郑莎;李静波;唐程雄;郭帅;李元锋;陈永刚
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。
气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。
因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。
从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。
【总页数】6页(P433-438)
【作者】郭泽胤;万成安;郑莎;李静波;唐程雄;郭帅;李元锋;陈永刚
【作者单位】北京理工大学材料科学与工程学院先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室;中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司;北京空间飞行器总体设计部
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
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质子交换膜燃料电池 气体扩散层
质子交换膜燃料电池气体扩散层
气体扩散层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的一个重要组成部分。
它位于阳极和阴极电极之间的气体侧，用于传递燃料气体和氧气气体到电极反应表面。
气体扩散层通常由多孔材料构成，例如碳纤维纸或碳纤维布。
这些材料具有良好的导气性和导电性，以便气体能够顺利地在电池中流动。
气体扩散层的主要功能是促进燃料氧化反应和氧气还原反应的进行。
它通过提供大量的孔隙结构和表面积，增加了燃料和氧气与催化剂之间的接触面积，从而提高了反应效率。
此外，气体扩散层还起到了液体水的传输和分布的作用。
在PEMFC中，由于电化学反应产生的水分会堵塞气体扩散层的孔隙结构，从而降低气体的传输能力。
因此，设计合适的气体扩散层对于确保燃料电池的长期稳定运行至关重要。
总之，气体扩散层在质子交换膜燃料电池中起着关键的作用，它促进了燃料和氧气的传输和反应，并有助于有效地管理液体水的产生和分布。
质子交换膜燃料电池扩散层实验及模型研究.
质子交换膜燃料电池扩散层实验及模型研究
扩散层作为质子交换膜燃料电池的一个重要组成部分,对燃料电池内部水平衡有着极大的影响,在电流密度较大的情况下,电池反应将产生大量的水,若液态水不能及时经由扩散层从电池中排出,则将阻塞反应气体流道,造成催化剂层水淹,使电池性能急速下降。
由于实际电池中有化学反应发生,传热传质复杂,因此,本文将碳纸扩散层从电池单体中独立出来,仅对液态水在碳纸多孔介质中的传输进行了可视化的实验研究,同时将三种流场板对排水性能的影响进行了比较。
结果表明,碳纸的平均孔径对液态水穿透有着重要影响;蛇型流道最有利于液态水从电池中排出。
为了对比不同扩散层在实际电池中的性能影响,因此同时在质子燃料电池单电池中使用不同的碳纸扩散层进行了电池性能实验,从而研究扩散层的排水效果在实际运行中对电池性能影响权重。
实验结果表明,使用具有微孔层并经过疏水处理的碳纸扩散层的电池总体性能比无微孔层未经疏水处理的碳纸扩散层较好。
同时在电流密度低的情况下,使用具有较低排水性的碳纸扩散层的电池性能较好,而在电流密度较高的情况下,使用透水性较好的碳纸扩散层可以提高电池性能。
在75℃的电池温度下电流密度较低时,提高加湿温度可以提高电池性能。
本文采用了Network模型模拟计算了不同碳纸结构下液态水的突破压力,模拟结果表明,液态水突破压力随多孔介质的平均孔径和碳纸网格层间距离增加而减小,随碳纸扩散层厚度的增加而增加,且在计算所取的网格间隙尺度下,水平方向上的液态水流动对突破压力没有影响。
【关键词相关文档搜索】：工程热物理; 质子交换膜燃料电池; 扩散层; 可视化实验; 性能试验; Network模型
【作者相关信息搜索】：北京交通大学;工程热物理;贾力;马悦;。
质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展
第41卷2024 年 3 月应用化学CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY第3期365⁃376质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展顾婷婷1张科1张心周1刘阳1孙伟才1谭爱东2刘建国2*1（中钛国创（青岛）科技有限公司，青岛 266111）2（华北电力大学，北京 100054）摘要气体扩散层在质子交换膜（PEM）水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。
PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境，对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。
气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。
本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料，简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响，分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应（OER）性能方面的作用。
最后，展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。
关键词质子交换膜水电解池；阳极气体扩散层；多孔钛；镀层材料中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1000-0518（2024）03-0365-12随着时代的发展，传统的化石燃料已无法满足人类社会的能源需求，其使用过程中产生的大量CO2气体威胁着人类的生存环境，能源问题备受关注。
风能、太阳能、水能和地热能等新型清洁能源正在迅速发展［1］。
然而，这些清洁能源大多具有间歇性的特点，容易受到时空的限制。
氢能是一种来源丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源，有着能量密度高（140 MJ/kg）和环境友好的特点，正在逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一［2］。
电解水制氢技术将太阳能、风能等可再生能源转化的电能以氢气为载体储存起来，再通过高压气态储运、低温液氢储运、金属储氢和掺氢天然气管道运输等方式转运，最后利用燃料电池技术实现化学能和电能之间的高效转换，打破可再生能源时空分布不均匀的僵局［3］。
质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展
2021年第3期曹婷婷崔新然马千里王茁韩聪米新艳于力娜张克金（一汽解放商用车开发院，长春130011）【摘要】气体扩散层（GDL ）是质子交换膜燃料电池（PEMFC ）的重要组件，在燃料电池电堆中起到电子传导、反应气体传输、电堆水热管理的作用。
近年来，随着质子交换膜燃料电池的开发和应用愈发广泛，气体扩散层的开发已成为加快燃料电池产业落地的关键因素。
重点阐述了质子交换膜燃料电池气体扩散层的市场发展、制备技术及工艺优化问题，评价了最新的气体扩散层表征手段与测试方法，并结合当前燃料电池电堆研究进展，指出当前气体扩散层研究中的不足及优化方向，并为气体扩散层的开发工作提出新的方向。
主题词：质子交换膜燃料电池气体扩散层气体传导电子传递水管理中图分类号：O646;TM911.4文献标识码：A DOI:10.19822/ki.1671-6329.20200198Research Progress of Gas Diffusion Layer in Proton ExchangeMembrane Fuel CellsCao Tingting,Cui Xinran,Ma Qianli,Wang Zhuo,Han Cong,Mi Xinyan,Yu Lina,Zhang Kejin （Commercial Vehicle Development Institute,FAW Jiefang Co.Ltd,Changchun 130011）【Abstract 】GDL is an important component of membrane electrode,which is the core part of PEMFC.It plays an important role in the conduction of electrons,in the transmission of reaction gases,in the management of water and heat in the fuel cell stack.In recent years,with the development and application of PEMFC becoming more and more extensive,GDL has become a key factor to accelerate realization of fuel cell industry.In this paper,the technology and development of gas diffusion layer in PEMFC are briefly introduced,the preparation technology and process optimization are described,the latest characterization and test methods of gas diffusion layer are evaluated and the application of GDL is carried out based on the current research progress of fuel cell stack.The shortcomings and optimization direction in the currentresearch are pointed out.Key words:Proton Exchange Membrane Fuel Cells(PEMFC),Gas Diffusion Layer （GDL ）,Gastransport,Electron transport,Water management质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展【欢迎引用】曹婷婷,崔新然,马千里,等.质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展[J].汽车文摘,2021(3):8-14.【Cite this paper 】Cao T,Cui X,Ma Q,et al.Research Progress of Gas Diffusion Layer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells [J].Automotive Digest (Chinese),2021(3):8-14.缩略语GDL Gas Diffusion Layer GDB Gas Diffusion Barrier PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel CellsMPLMicro-Porous Layer1前言近年来，质子交换膜燃料电池电堆因其清洁、高效的优点，受到国内外的广泛关注。
质子交换膜燃料电池一维气液两相流模型研究
第47卷第S1期2019年12月同济大学学报（自然科学版）JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY （NATURAL SCIENCE ）Vol.47No.S1Dec.2019质子交换膜燃料电池一维气液两相流模型研究王旭辉，许思传，董雅倩（同济大学汽车学院，上海201804）摘要：为研究质子交换膜燃料电池内水对电池输出性能的影响，搭建了一维燃料电池气液两相流模型，该模型考虑了氧气、氢气、水蒸气和液态水在气体流道、气体扩散层和催化层中的流动以及膜结合水在聚合物中的传输过程，同时考虑了电池内部水的相变。
采用该模型分析了进气相对湿度对燃料电池输出性能的影响，结果表明：在小电流密度工况下，高相对湿度入口气体能够降低电池内阻提高输出电压；在进气相对湿度较高和大电流密度条件下，阳极比阴极更容易发生水淹。
关键词：两相流；质子交换膜燃料电池；一维模型；水淹中图分类号：TM911.4文献标志码：AOne -dimensional Model Investigationfor Two -phase Transport in Polymer Electrolyte Membrane Fuel CellWANG Xuhui ，XU Sichuan ，Dong Yaqian（School of Automotive Studies ，Tongji University ，Shanghai 201804，China ）Abstract ：For investigating the effect of water on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cell （PEMFC ），a transient isothermal one -dimensional model for analyzing the two -phase transport is developed in this work.The transports of oxygen ，hydrogen ，water vapor and liquid water in gas diffusion layer ，catalyst layer and gas channels are considered.Phase change of water is also considered in this work.The influence of relative humidity of inlet gas on the cell performance is investigated and the results show that at low current density condition ，high relative humidity gas can reduce the resistance to improve the output voltage and the flooding tends to happen in anode at high relative humidity gas and high current density condition.Key words ：two -phase transport ；polymer electrolytemembrane fuel cell ；one -dimensional model ；flooding质子交换膜燃料电池（polymer electrolyte membrane fuel cell ，PEMFC ）由于其效率高、能量密度高和无污染等优点，被视为未来汽油车的最佳替代品之一。
质子交换膜燃料电池一维模型程序
质子交换膜燃料电池一维模型程序下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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一种质子交换膜燃料电池梯度微孔气体扩散层及其制备方法
一种质子交换膜燃料电池梯度微孔气体扩散层及其制备方法
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）梯度微孔气体扩散层是一种用于提高燃料电池性能的关键组件。
梯度微孔气体扩散层的制备方法包括以下几个步骤：
1. 材料选择：选择合适的导电材料制备气体扩散层，常用的材料包括碳纤维布、碳纸、小孔隔膜等。
2. 材料表面处理：通过酸洗、热处理等方法对导电材料进行表面处理，以增加材料的亲水性和导电性能。
3. 梯度微孔孔道设计：设计不同孔径的微孔孔道，形成气体扩散层的梯度结构。
可以使用模板法制备梯度微孔孔道，或者采用物理气相沉积、溶胶-凝胶法等方法。
4. 真空浸渍：将表面处理后的导电材料放置在真空条件下，通过浸渍方法将催化剂或催化剂前体物质浸渍到气体扩散层中。
5. 催化剂烧结：将浸渍后的气体扩散层进行烧结处理，使催化剂固定在气体扩散层内，提高电化学性能。
6. 气体扩散层组装：将制备好的梯度微孔气体扩散层与质子交换膜和电极材料组装成膜电极组件。
通过上述步骤，可以制备出具有梯度微孔结构的气体扩散层，提高质子交换膜燃料电池的性能和稳定性。
此方法制备的梯度
微孔气体扩散层具有较高的气体传输性能，有利于提高燃料电池的效率和寿命。
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２ ． １ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电化学 模型
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的输 出电 压 Ｖ。 。 ｌ 。 受Ｅ 。 Ⅲ （ 热 力 学 电 动 势）、 ｒ ｌ （ 活化 过 电压 ）、 ｒ ｌ （ 欧姆 过 电压 ） 和ｒ ｌ 。 。 （ 浓 差过 电压 ）的影 响 ，如下 式所 示口 ：
法体现电池内部结构对系统性能的影响。本文建立了Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ 沿膜厚方向的一维结构模型，通 过分析在 电池 阴、阳极 的气体扩散 规律 ，研究气源 压力 、温 度对 电池 输出 电压的影响 。通过 与不同条件下的实验结果以及集总参数模型进行比较，本文的仿真结果更加符合实验结果， 适用范围更广，可为车用燃料电池的优化和控制提供可靠依据。 关键 词 ：质子交换膜燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ ） ；气体扩散 层 ； 传质模型 ； 建 模 ；仿真 中图分类号 ：Ｔ Ｍ９ １ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ （ 上） 一 ０ ０ ９ ５ —０ ４
组 成 ， 以氢 气 和 空 气 （ 或 纯 氧 ）作 为 燃 料 和 氧 化
剂 ，氢 气在 阳极 催 化层 中分 解 为氢 离子 （ 质 子 ），
ｍｅ ｍｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ， Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ）具 有 能 量转 化 效率 高 、环 境 友 好 、寿 命 长 等 特 点 ，在 未 来 的 以氢 作
其 中 ，Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电 化 学 电 动 势 、欧 姆 过 电
压 、浓 差 过 电压 分别 为 ： Ｅ Ｎ ｅ ｒ ｎ ｓ ｒ １ ． ２ ２ － ０ ・ ８ ５ Ｘ １ ０ － ３ （ Ｔ － ２ ９ ８ ． １ ５ ）
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ １ ． Ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ３ （ 上） ． ２ ９
０ 引言
质 子 交 换 膜燃 料 电 池 （ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｎ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ
道 ）、气 体扩 散 层 、催化 层 、和 质子 交换 膜 （ Ｐ Ｅ Ｍ）
１ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的工作原 理
Ｐ ＥＭ Ｆ Ｃ主 要 由 双 极 板 （ 极 板 上 加 工 有 流
收稿 日期：２ ０ １ ３ － ０ ８ － １ ３ 基金项 目：吉林大学汽车仿 真与控制国家重点实验室开放基金 （ ２ ０ １ １ １ １ １ ２ ） 作者简介：杜新 （ １ ９ ７ ５一），男 ，讲师 ，博士 ，研究方 向为燃料 电池性能 仿真 与控 制 。
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訇 出
质子交换膜 燃料 电池 的一 维气 体扩散模型研究
Ｒｅｓ ｅａｒ ｃｈ ｏｎ ｔ ｈｅ ｍ ｏｄｅＩ ｏｆ ｏｎｅ－ ｄｉ ｍ ｅｎｓｉ ｏｎａｌ ｇａｓ ｄｉ 仃 ｕｓ ｉ ｏｎ ｏｆ ｐｒ ｏｔ ｏｎ
ｅ ｘｃｈａｎｇｅ ｍ ｅｍ ｂｒ ａｎｅ ｆ ｕｅｌ ｃｅｌ ｌ
为 主 要 能 量 载 体 的 氢 能 时 代 ，被 认 为 是 最 佳 的动 力源ｎ 】 。Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 建模 根 据 不 同 的研 究 目标 和特
并 释 放 出电子 ；氧 气通 过扩散 到 达 阴极催 化层 后 在 催 化 荆的作 用下 与氢 离子发 生反 应生成 水 。
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第３ ６ 卷 第３ 期 ２ ０ １ ４ — ０ ３ （ 上） 【 ９ ５ 】
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（ １ ． 吉林大学 汽车仿真 与控 制国家重点实验室 ，长春 １ ３ ０ ０ ２ ５ ；２ ． 长春理工大学 机电工程学院 ，长春 １ ３ ０ ０ ２ ２） 摘 要 ：目前对质 子交换膜燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＩ ＝ Ｏ）的系统性能进行分析 时 ，多采用集总参数模 型。 它无
阳极 ：
２
征 尺度 ，可分 为集 总参 数模 型 和 多维 模型 。 目 前 ，关 于Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ系统 的性 能 分析 多采 用 集 总 参数 模 型 ，多维 模 型 主 要 应用 于 Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ 单 个 组 件 的机
理
阴极 ：
总反 应 ： １
‘ ＋ ＝（ ） ２ Ｈ ２ Ｏ
２ ‘
（ ３ ）
２ Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ 的数学建模
本 文 假 设 在 电 池 内部 只存 在 气 相 ，且 保 持 等
温 ，并 忽 略 催 化层 和质 子 交 换膜 的厚 度 。Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ 模型 可分 为 电化 学模型 和 传质 模型 。
实 际Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 性 能 产 生较 大 的 相 对误 差 。针 对 该 问题 ，考 虑 到 电 池 的 物理 化 学 变 化 主 要 是 沿 着 膜
厚 方 向 ，本 文 建 立 Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ沿 膜 厚 度 方 向 的一 维 模 型 ，仿 真 结果 表 明 该 模 型 更 符 合 实 际 情 况 ， 为 车 用Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的设计 和 控制 提 供可靠 依 据 。
二Ｄ １ ＋２ Ｈ ＋２ ｅ 一 Ｈ， Ｏ （ ２ ）
集 总参 数 模 型 建 模 简 单 ，计 算 量 小 ，适 用于
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 系统 级 建模 ，然 而 集 总 参数 模 型 无 法 反 应 出 电池 内部 各 组 成 单 元 对Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的影 响 ，因 此 依 据 集 总 参数 模 型 仿 真 得 到 的Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的性 能 会 与