文 献 综 述
一．质子交换膜燃料电池的发展前景和研究意义
燃料电池是等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置。燃料通过电池的方法来产生电有许多优点：由于燃料电池是按电化学方式发电，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，所以能量转化率高 (40% ~ 60% )， 噪音低， 环境污染小， 几
乎不排放氮和硫的氧化物和二氧化碳。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是继碱性燃料电池(AFC)、 磷酸燃料电池(PAFC)、 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 和固体氧化物燃料电池 (SOFC) 而发展起来的第五代燃料电池。 它以全氟磺酸性固体聚合物为电解质， 铂 /碳或铂- 钌 / 碳为电催化剂，氢或净化的富氢气体如重整气以及一些小分子有机化合物如甲醇为燃料， 空气或纯氧为氧化剂， 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。 l960 年美国首先把质子交换膜燃料电池用于双子星座(Gemini)宇宙飞船上。
与其它燃料电池相比， PEMFC 还具有以下优点：工作电流大 (l ~ 4 A / cm 2 ， 0. 6 V)， 比功率高 (0. l ~0. 2 kW / kg)，比能量大，工作温度低(80 ~ l00 C )， 电解质无腐蚀，环境污染小，低温下几秒内可启动，寿命长，用途广泛 ，符合人类社会可持续发展的要求。
PEMFC的应用前景首先在于电动车电源；其二是分散电站发电，把电池堆用于电厂发电和作棱潜艇动力源；其三是民用电器电源。2002年3月28～29目在大连召开了由
中科院大连化物所承担的“大功率PEMFC发动机及氧源技术”项目领导小组工作会议．旨在确保高质量、高水平、高速度的完成该项目的总体目标．以实现我国电动车跨越式芨展和国防实力尽快提高，这说明我国也很重视PEMFC的开发。
- 质子交换膜燃料电池建模的研究现状
PEMFC模型已经包括了质子交换膜、电极、膜电极三合一、单电池以及电池组和系统等四个尺度。其中，膜模型主要在反胶束离子簇模型基础上，由宏观模型到微观、统计模型发展；在各类电极模型中水淹聚集块模型和薄层-水淹聚集块模型与实验结果更加吻合，采用流体动力学发展了两相流模型，主要优化电极催化层和扩散层的组成、厚度等参数；水在膜内的传递应该考虑电迁移、压差传递及浓差扩散，系统考察电池温度、增湿程度等操作条件对增加膜内水含量、提高MEA性能非常重要；目前单电池模型研究流道和电极之间的传质、传热过程，研究集中在对于各种流场的多维、非等温、两相流模拟，优化电池结构和操作条件；系统模拟目前主要集中在提高电池组性能、系统尺寸和结构的优化，以及对电池组性能的预测方面，进一步的发展应该是包括对电池组本体、燃料压缩机、燃料净化器等系统组件同时进行模拟，同时对系统的热量耗散和热的传递过程进行研究。有效利用废热，达到最有效的系统配置。质子交换膜燃料电池及电池组系统模型的发展，有助于更加深入地了解电池内部的物理化学过程，优化电极组成。电池结构．提高电池及电池组性能．推动燃料电池产业化进程。
从目前的质子交换膜燃料电池建模的研究状况来看，经验模型能够很好的反应燃料电池电流密度与电池电压的关系，充分反应了活化极化作用对初始电压的影响以及浓度极化作用在高电流密度区域对电池电压的影响；电化学模型既能够很好的描述电池的输出特性．电能够说明输出特性与具体的温度、压力和流量等参数的具体关系，但存描述电池动态性能方面有所欠缺；在电化学模型上改进的电压动态模型能够很好的放映电池的动态特性，能够更好的诠释在负载发生变化时电池的暂态变化过程。
- 本次项目研究内容
学习并了解质子交换膜燃料电池的组成、结构和工作原理；建立质子交换膜燃料电池的电特性模型；完成模型的建立和负载变化时电特性的变化研究，进行仿真研究；在燃料电池实训平台上进行实验研究。
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