首页|期刊导航|中国电机工程学报|阴阳极非对称增湿耦合温度对PEMFC水传输及性能的影响

阴阳极非对称增湿耦合温度对PEMFC水传输及性能的影响OA

Influence of Asymmetric Anode and Cathode Humidification Coupled Temperature on Water Transport and Performance of PEMFC

中文摘要英文摘要

为研究工作温度和阴阳极非对称增湿对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)质子传输效率及性能的影响,构建质子跨膜运输(proton transmembrane transport,PTT)模型,并耦合COMSOL开展多物理场仿真.搭建燃料电池实验平台,在50、60和70℃及不同阳极湿度条件下进行实验与数值模拟,分析温度变化和非对称增湿对输出性能、跨膜水通量、膜含水量及质子电导率的影响.结果表明,PTT模型与实验数据吻合较好,极化曲线最大相对误差不超过9%,其中,60℃条件下模型精度最高.温度与阳极湿度对电池性能具有显著耦合作用:50和60℃时,阳极相对湿度为75%时性能较优;70℃时,100%阳极湿度更有利于性能提升.随着阳极湿度升高和电压降低,跨膜水传输、膜含水量和质子电导率整体增强,但在70℃下因膜内水分蒸发加剧而略有回落.研究表明,阳极湿度优化应与工作温度协同匹配,以兼顾膜水合状态、跨膜水传输及输出性能.本文结果可为PEMFC水管理调控及运行参数优化提供一定理论依据.

To investigate the effects of operating temperature and asymmetric anode-cathode humidification on proton transport and performance of proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs),this paper develops a proton transmembrane transport(PTT)model,which is coupled with COMSOL for multiphysics simulations.Experiments and simulations are conducted on a self-built fuel cell platform at 50,60,and 70℃under different anode humidity conditions to examine cell performance,transmembrane water flux,membrane water content,and proton conductivity.The results show good agreement between the PTT model and experimental data,with a maximum relative error below 9%and the highest accuracy at 60℃.Temperature and anode humidity jointly affect cell performance:75%anode relative humidity is optimal at 50 and 60℃,whereas 100%is more favorable at 70℃.As anode humidity increases and cell voltage decreases,transmembrane water flux,membrane water content,and proton conductivity generally increase,but slightly decline at 70℃because of enhanced membrane water evaporation.These findings indicate that anode humidity should be optimized with operating temperature to balance membrane hydration,water transport,and cell performance,providing guidance for PEMFC water management and parameter optimization.

韩启沃;刘永峰;范馨远;裴普成;张璐;姚圣卓

北京市建筑安全监测工程技术研究中心(北京建筑大学机电与车辆工程学院),北京市 西城区 100044北京市建筑安全监测工程技术研究中心(北京建筑大学机电与车辆工程学院),北京市 西城区 100044北京市建筑安全监测工程技术研究中心(北京建筑大学机电与车辆工程学院),北京市 西城区 100044智能绿色车辆与交通全国重点实验室(清华大学),北京市 海淀区 100084北京市建筑安全监测工程技术研究中心(北京建筑大学机电与车辆工程学院),北京市 西城区 100044北京市建筑安全监测工程技术研究中心(北京建筑大学机电与车辆工程学院),北京市 西城区 100044

信息技术与安全科学

燃料电池质子交换膜工作温度非对称增湿数值模拟水管理再生能源

fuel cellproton exchange membraneoperating temperatureasymmetric humidificationnumerical simulationwater managementrenewable energy

《中国电机工程学报》 2026 (16)

5899-5912,中插17,15

国家自然科学基金项目(52376091)北京建筑大学培育项目专项资金项目(X24030). Project Supported by National Natural Science Foundation of China(52376091)Cultivation Project Funds for Beijing University of Civil Engineering and Architecture(X24030).

10.13334/j.0258-8013.pcsee.251027

评论