多工况下质子交换膜燃料电池物理场分布均匀性与运行状态研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.11.007

摘要/Abstract

摘要：

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在复杂工况下易出现物理场分布不均，长期运行将导致局部“水淹”、“热点”或“欠气”等非健康状态，严重影响系统性能与耐久性。为深入揭示多工况下内部物理场的演化特征及其对电池运行状态的影响，本文构建了全尺寸三维多物理场耦合仿真模型，系统分析了进气化学计量比、运行温度和进气湿度3种关键工况参数对PEMFC内部水含量、氧气浓度、电流密度及温度分布的影响规律。进一步，提出了运行状态指标 H_i，结合物理场的分布特性对电池运行健康性进行量化评估。结果表明：3种工况参数均显著影响各物理场的分布均匀性及整体水平；高温、高湿或极端计量比工况下更易出现局部分布均匀性失衡，从而诱发非健康状态。研究成果可为PEMFC的运行优化与寿命管理提供理论支撑和仿真依据。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 分布均匀性, 非健康运行状态, 耐久性

Abstract:

Proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs） face challenges of non-uniform physical field distribution under complex operating conditions， which can result in local “water flooding，” “hot spots，” and “gas starvation” during long - term operation， severely undermining system performance and durability. To deeply reveal the evolution characteristics of the internal physical field under multiple operating conditions and its compact on the battery operation status， in this study a full - scale three - dimensional multi - physics field coupling simulation model is constructed to systematically examine the influence of three key parameters of inlet air stoichiometric ratio， operating temperature， and inlet air humidity on liquid water content， oxygen concentration， current density， and temperature distribution within PEMFCs. Furthermore， an operational state index Hi is proposed to quantitatively evaluate PEMFC operating health by integrating physical field distribution characteristics. The results show that all three parameters significantly impact the distribution uniformity and overall levels of physical fields. High - temperature， high - humidity， and extreme stoichiometric ratio conditions are more likely to disrupt local distribution uniformity， triggering non - healthy states. This research provides crucial theoretical and simulation - based support for PEMFC operation optimization and life management.

Key words: proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）, distribution uniformity, unhealthy operating state, durability

乔鹏宇,吴思远,包志铭,焦道宽,刘学良,朱凯歌,杜浩然,罗炜睿,杜青,焦魁. 多工况下质子交换膜燃料电池物理场分布均匀性与运行状态研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(11): 2126-2140.

Pengyu Qiao,Siyuan Wu,Zhiming Bao,Daokuan Jiao,Xueliang Liu,Kaige Zhu,Haoran Du,Weirui Luo,Qing Du,Kui Jiao. Study on the Uniformity of Physical Field Distribution and Operation State of Proton Exchange Membrane Fuel Cells Under Multiple Operating Conditions[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(11): 2126-2140.

图/表 19

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表3

3种物理场分布的方差及Hi"

	膜态水		温度		氧气浓度
	方差	$H i$ / 10^-3	方差	$H i$ / 10^-6	方差	$H i$ / 10^-1
计量比2.5	0.75	2.86	0.55	4.31	1.67	2.3
计量比1.5	1.33	5.06	1.75	13.66	1.62	0.86
湿度100%	0.14	0.56	0.64	5.01	1.65	1.48
湿度50%	1.82	6.53	0.71	5.52	2.05	2.46
温度90 ℃	0.09	0.37	0.74	5.77	1.54	1.29
温度70 ℃	1.83	6.57	0.68	5.28	1.99	2.39
标准工况	0.91	3.46	0.78	6.07	1.78	1.85

表3

参考文献 12

[1]	WANG Y， DIAZ D F R， CHEN K S， et al. Materials， technological status， and fundamentals of PEM fuel cells–a review［J］. Materials Today， 2020， 32： 178-203.
[2]	SINGH M， ZAPPA D， COMINI E. Solid oxide fuel cell： decade of progress， future perspectives and challenges［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 46（54）： 27643-27674.
[3]	CHEN D， PEI P， LI Y， et al. Proton exchange membrane fuel cell stack consistency： evaluation methods， influencing factors， membrane electrode assembly parameters and improvement measures［J］. Energy Conversion and Management， 2022， 261： 115651.
[4]	CHEN D， PEI P， MENG Y， et al. Novel extraction method of working condition spectrum for the lifetime prediction and energy management strategy evaluation of automotive fuel cells［J］. Energy， 2022， 255： 124523.
[5]	JIAO K， XUAN J， DU Q， et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells［J］. Nature， 2021， 595（7867）： 361-369.
[6]	KREUER K D， PADDISON S J， SPOHR E， et al. Transport in proton conductors for fuel-cell applications： simulations， elementary reactions， and phenomenology［J］. Chemical Reviews， 2004， 104（10）： 4637-4678.
[7]	ZHOU S， WANG K， ZHOU S， et al. Features selection and substitution in PEM fuel cell water management failures diagnosis［J］. Fuel Cells， 2021， 21（6）： 512-522.
[8]	LI T， LIU H， WANG H， et al. Multiobjective optimal predictive energy management for fuel cell/battery hybrid construction vehicles［J］. IEEE Access， 2020， 8： 25927-25937.
[9]	ZHAO J， LI X. A review of polymer electrolyte membrane fuel cell durability for vehicular applications： degradation modes and experimental techniques［J］. Energy Conversion and Management， 2019， 199： 112022.
[10]	TENG T， ZHANG X， YUE M， et al. Research of proton exchange membrane fuel cell degradation index and prediction method for automotive vehicles［J］. Sustainable Energy Technologies and Assessments， 2024， 65： 103789.
[11]	WEI P， CHANG G， FAN R， et al. Investigation of output performance and temperature distribution uniformity of PEMFC based on Pt loading gradient design［J］. Applied Energy， 2023， 352： 121962.
[12]	MIAO T， TONGSH C， WANG J， et al. Current density and temperature distribution measurement and homogeneity analysis for a large-area proton exchange membrane fuel cell［J］. Energy， 2022， 239： 121922.

参数	数值
阳极、阴极表压力/atm	1.69，1.49
冷却水入口温度/℃	80
冷却水温升/℃	14
极板厚度/mm	0.3
CHANNEL高度、宽度/mm	0.4， 1.0
脊宽/mm	0.85
GDL厚度/mm	0.16
阳极、阴极进口面积A_in/cm²	0.1，0.16
电化学活性面积A_act/cm²	300
流道根数	64
GDL、MPL孔隙率	0.78， 0.5
GDL、MPL、CL、MEM固有渗透率/m²	2e-12， 1e-12，1e-13， 2e-20，
MEM当量质量/（kg·mol^-1）	1
阳极、阴极CL厚度/mm	3e-3，7.5e-3
阳极、阴极CL铂载量/（mg·cm^-2）	0.05，0.25
阳极、阴极CL铂碳比	0.25，0.45
阳极、阴极CL离聚物-碳比	0.6，0.8
碳颗粒半径/nm	25
铂、碳密度/（kg·m^-3）	21 450， 2 000
GDL、CL电导率/（S·m^-1）	10 000（GDL_in plane）、 1 200（GDL_through plane）， 5 000（CL）
热传递系数/（W·m^-1·K^-1）	3 000
通用气体常数R/（J·mol^-1·K^-1）	8.314
法拉第常数F/（C·mol^-1）	96 487

[1]	陆继轩,郑伟波,李翔,王倩倩,李冰,明平文. 质子交换膜燃料电池氢气渗透研究进展及抑制措施概述[J]. 汽车工程, 2025, 47(7): 1238-1257.
[2]	李楠,白雪宜,杨抖,李贵敬,马诗会. PEMFC金属泡沫流场全形态三维性能模拟及结构优化[J]. 汽车工程, 2025, 47(7): 1277-1284.
[3]	常文,邵赓华,郭凤刚,张敬贵,吴永豪,赵宏建,刘尹,张健,姚东升. 实际道路工况下燃料电池寿命性能衰减研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(7): 1296-1304.
[4]	张拴羊,徐洪涛,张国宾,陈晓平,袁泉,陈冠一. 海豚状肋片仿生流场的PEMFC性能研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(10): 1953-1962.
[5]	李光伟,韩雪,邢丹敏,明平文. 催化层/微孔层界面设计对PEMFC影响研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(1): 77-84.
[6]	任立海,陈黎黎,杨振华,蒋成约,赵清江,刘西,胡远志. 冲击载荷下PEMFC力-电耦合建模及电学响应研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(1): 96-106.
[7]	徐寅嵩,李文浩,杜常清,颜伏伍. 考虑运行参数可寻优范围的PEMFC系统净功率优化[J]. 汽车工程, 2024, 46(7): 1137-1146.
[8]	余宾宴,马建,陈轶嵩,耿莉敏,王茜. 微孔间距和孔径对PEMFC气体扩散层表面液滴流动传输特性的影响[J]. 汽车工程, 2024, 46(6): 1025-1033.
[9]	彭钰祥,余庆华,敖瑞,颜伏伍. 燃料电池废热驱动弹热制冷装置性能分析[J]. 汽车工程, 2024, 46(4): 662-668.
[10]	陶阿邦,陶建建,魏学哲. PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 269-280.
[11]	袁新杰,刘芳,侯中军. 基于GA-PSO-Otsu算法的质子交换膜燃料电池催化层孔结构自适应识别[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1702-1709.
[12]	王万腾,李楠,白雪宜,杨抖,栗航,李贵敬. 气体扩散层分层设计对PEMFC电堆性能影响研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1720-1727.
[13]	王俊峰,陈吉清,兰凤崇,刘青山,曾常菁. 燃料电池模型多尺度参数双代价函数的全局灵敏度分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 393-401.
[14]	吕平,孙昕,许有伟,张宝,徐家慧,邢丹敏. 车用燃料电池堆低温停机吹扫试验研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2123-2129.
[15]	陈吉清,曾常菁,周云郊,兰凤崇,刘青山. 质子交换膜燃料电池五边形挡板流场结构优化与性能改进[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1862-1875.