该论文的目的是通过对催化层行为的准确模拟建立一个具有广泛适应性的质子交换膜燃料电池的完整数学模型,这一模型包括燃料电池中的主要传递过程,可以用来分析燃料电池的工作行为并研究各种运行条件和结构参数对燃料电池性能的影响.该文建立的质子交换膜燃料电池数学模型以对催化层行为的详细描述为基础.文中首先定量研究了催化剂对氧气和质子传递的位置效应,发现催化剂表面的氧气传质能力对催化剂的位置变化非常敏感,性能最优的催化剂恰好处于刚被电解质膜完全覆盖的位置.然后,分别用简单立方、体心立方和面心立方三种自由堆积球结构首次建立了描述催化层有效质子和电子传导率的理论预测模型,分析了电解质本体电导率、球半径、接触系数和接触角对质子传导的影响,得出催化层有效质子和电子传导率的计算公式,模拟结果与实验数据吻合良好,证实了模型的有效性.从已建立的催化层的质子、电子传递模型和聚集体结构模型出发,该文建立了垂直于流道方向的二维质子交换膜燃料电池模型,以验证催化层在燃料电池模拟中的重要性.模型研究了反应物质组成、电位、电流密度、膜中水含量和水传递特性以及质子电导率等参数的分布情况,重点考察了流场板的集流体对燃料电池性能的影响.研究结果证实由于集流体的阻碍作用,在燃料电池中存在明显的物质组成梯度,物质组成的变化决定了电位、膜中水含量和水传递特性、质子电导率和电流密度等参数的分布规律,同时这种分布受催化层孔率、催化层中电解质的体积含量和聚集体半径等结构参数的影响非常明显,说明在燃料电池模型中增加对催化层的详细描述非常必要.最后,该文建立了包括催化层的质子交换膜燃料电池完整的三维流体动力学模型,以进一步验证模型的可靠性并研究在整个燃料电池中工作气体组成、质子交换膜性能和电流密度等参数的分布情况.通过比较模拟数据与实验结果验证了模型的有效性.同时,模型比较了蛇型流场和多孔型流场的效率问题,并给出了气体扩散层渗透率、催化层中电解质含量和气体的入口流速等参数对流场分布的影响,说明该文模型具有良好的适应性.总之,研究结果表明,该文所建立的数学模型是完整的质子交换膜燃料电池模型.它的优点是能够详细准确地描述催化层的传质过程,可以给出更丰富的燃料电池运行信息并且很容易分析催化层参数对整个燃料电池性能的影响.模型具有良好的可靠性和适应性,因此是质子交换膜燃料电池性能分析和设计优化的有效工具.