质子交换膜燃料电池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因其具有能量效率高、低噪音、零污染、设计操作简单、低温启动、安全稳定等诸多优点而成为新能源技术领域的研究热点之一。为了加强质子传导减小膜电阻并维持质子交换膜燃料电池的正常工作,必须对质子交换膜燃料电池进行有效的增湿,增湿同时也会带来阴极水淹以及大电流密度下浓差极化过大等问题。 本文首先研究了燃料电池电化学反应的基础理论,包括燃料电池的能量转化效率、活化与浓差等极化热的计算分析以及其电化学反应的动力学特性、极限电流等问题。从而有利于深入理解燃料电池电极反应过程,为有效地提高大电流密度下的电池性能、进行电极结构优化提供指导,以期最终实现燃料电池的水热和气管理。 然后描述了质子交换膜燃料电池的三维数学模型,包括了流动、传质、电化学反应和水传递等模型,建立了反映岸受两侧流道气体和水传输影响的双流道几何模型。应用该模型对燃料电池的增湿效果和浓差极化进行研究。运用Fluent软件的PEM模块对质子交换膜燃料电池不同的增湿程度进行模拟分析。分析了不同的增湿程度对燃料电池性能的影响,重点讨论了在大电流密度情况下,浓差极化对燃料电池性能的影响。详细对浓差极化区燃料电池内部水的浓度、氧气浓度分布与电池性能的影响关系进行分析,表明浓差极化仅在燃料电池的部分区域发生。 针对阴极饱和增湿时,在大电流密度下,电池性能下降的很快并发生了明显的浓差极化的情况,研究了二次进气、逆向进气和扩散层带孔等改进方案。并对电极的水和氧气分布进行了分析以探讨水分布和传输对电池性能影响的深层原因。结果表明,进气方式和扩散层结构改进后阴极水和氧气的分布更为均匀合理,阴极水淹引起的浓差极化问题得到较好的解决。最终在阴极饱和增湿时大电流密度下的燃料电池性能得到明显的增强。