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质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量密度高,启动速度快,续航能力强,清洁高效等优点,被认为是最具潜力的未来车用动力源之一。在高电流密度下,PEMFC的产水量和产热量大大增加,使得水热管理问题成为制约电池性能提高的重要因素。为进一步优化PEMFC水热管理,提高电池性能,本文搭建了多尺度、多维度、多相变的水热管理数值模型。主要研究成果如下:1.提出了 PEMFC水热管理数学模型,对模型中描述气体扩散层(GDL)内氧气扩散的Bruggeman方程进行了修正,并验证了修正模型的可靠性。结果表明,本文修正模型能够更加准确地模拟PEMFC浓差极化阶段的实际工作状况。2.基于提出的数学模型建立了 PEMFC二维阴极多孔区域模型,探究了多孔区域液态水分布特性。结果表明:传统的Bruggeman方程预测的多孔区域液态水饱和度和氧气浓度都偏大;电流密度增大导致液态水累积、氧气传质阻力增大,浓差极化阶段反应速率降低,液态水生成随之减缓;越远离入口液态水饱和度越大;肋下液态水的增长率和氧气浓度的降低率都高于流道下方,在常用工作电压0.55 V附近,肋下的液态水聚集明显多于流道下部。随着GDL孔隙率减小,流道下部的液态水饱和度几乎呈直线式增长,而肋下的液态水饱和度变化呈抛物线趋势,GDL孔隙率大于0.65多孔区域总体液态水饱和度较小;GDL孔径越小越容易发生“水淹”,厚度越小越有利于液态水的排除。3.基于提出的数学模型建立了包含冷却通道的PEMFC三维全电池模型,探究了不同的冷却方案对电池性能的影响,并寻求最佳的冷却方案。结果表明:在冷却水逆流流动的情况下,不同的进气方式对质子膜温度场分布的影响效果基本相同。在逆流进气下,方案3为最佳冷却方案,即应保持阴阳极的冷却水流向与阴极气体流向一致;在顺流进气下,方案6为最佳冷却方案,即应保持阴阳极的冷却水流向与气体流向一致。同时,阴阳极的温度分布在阴极气体扩散层和阴极催化层的交界面两侧基本对称。此外,最佳冷却方案需要确保冷却水为顺流流动,其在系统集成和成本降低方面具有明显的优势。4.研究了不同的操作条件对电池性能的影响,并通过试验优化电池性能。结果表明:提高工作压力有利于增强氧气的扩散传质,并缓解电池出口的“缺气”和“水淹”问题;随着阴极进气湿度增大,液态水首先在阴极出口聚集,并向电池中部偏移;随着阳极进气湿度增大,液态水首先在阴极入口聚集,并向阴极出口偏移。本研究中电池的最佳运行参数为:工作温度为80℃;阴阳极工作压力(表压)分别为70 kPa和80 kPa;阴阳极进气湿度分别为80%和100%。