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本书紧密结合当前质子交换膜燃料电池的研究热点，对质子交换膜燃料电池水管理的研究现状进行了较为详尽的分析和总结。全书共分为六章，主要内容包括绪论，质子交换膜燃料电池的工作原理与关键部件，质子交换膜燃料电池的理论计算，质子交换膜燃料电池水管理实验，质子交换膜燃料电池水管理的数学模型及数值模拟结果。全书较系统的介绍了质子交换膜燃料电池水管理的*成果和发展方向，总结了作者的研究成果。

本书可供从事电气、能源、环保、化学和汽车领域的科技工作者和工程技术人员使用，也可供高等院校有关专业师生参考。

前言

第1章 绪论

    1.1 质子交换膜燃料电池

        1.1.1

质子交换膜燃料电池的发展历史

        1.1.2 质子交换膜燃料电池的特点

        1.1.3 质子交换膜燃料电池的应用

        1.1.4

质子交换膜燃料电池的发展方向

    1.2 质子交换膜燃料电池的水管理

        1.2.1

质子交换膜燃料电池的水分及其迁移

        1.2.2

质子交换膜燃料电池中水管理的方法

    参考文献

第2章 质子交换膜燃料电池的工作原理与关键部件

    2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理

    2.2 质子交换膜燃料电池的关键部件

        2.2.1 质子交换膜

        2.2.2 电极催化剂

        2.2.3 电极

        2.2.4 膜电极

        2.2.5 双极板

    参考文献

第3章 质子交换膜燃料电池的理论计算

    3.1 质子交换膜燃料电池的热力学性质

        3.1.1 Gibbs自由能

        3.1.2 Nernst电动势

    3.2 质子交换膜燃料电池的动力学

        3.2.1 开路电压

        3.2.2 极化作用

    3.3 反应气体流量的计算

        3.3.1 氧化剂用量

        3.3.2 燃料气体用量

    3.4 操作条件对电池性能的影响

        3.4.1 温度对电池性能的影响

        3.4.2

压力和气体浓度对电池性能的影响

        3.4.3 流量对电池性能的影响

    3.5 质子交换膜燃料电池气体加湿装置

        3.5.1 外部加湿装置

        3.5.2 内部加湿装置

        3.5.3 自加湿法

    参考文献

第4章 质子交换膜燃料电池水管理实验

    4.1 净水迁移量的测量

        4.1.1 实际运行实验

        4.1.2 模拟运行实验

    4.2 电池结构对水管理的影响

        4.2.1 气体扩散层

        4.2.2 膜电极结构

        4.2.3 膜加湿器

    4.3 可视化水管理实验

    4.4 考虑重力时温度对质子交换膜燃料电池性能的影响

        4.4.1

温度对阳极在上电池性能的影响

        4.4.2

温度对阴极在上电池性能的影响

        4.4.3

阳极在上与阴极在上电池性能的对比

    4.5 考虑重力时湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

        4.5.1 单极加湿

        4.5.2 双极加湿

        4.5.3 峰值功率对比

    参考文献

第5章 质子交换膜燃料电池水管理数学模型

    5.1 现有模型

        5.1.1 一维模型

        5.1.2 二维模型

        5.1.3 三维模型

        5.1.4 瞬态模型和电池堆模型

        5.1.5

质子交换膜燃料电池的两相流模型

    5.2 质子交换膜燃料电池单体的结构和传热传质过程

    5.3 质子交换膜燃料电池的数学模型

        5.3.1

质子交换膜燃料电池的模拟区域划分

        5.3.2 守恒方程

        5.3.3

催化剂层中电化学反应的控制方程

        5.3.4 质子交换膜中的数学模型

        5.3.5

质子交换膜燃料电池性能方程

        5.3.6 边界条件

    参考文献

第6章 质子交换膜燃料电池水管理的数值模拟结果

    6.1 模型的数值计算

        6.1.1 计算区域的离散化

        6.1.2 控制方程的离散化

        6.1.3

交错网格及SIMPLE算法的引出

        6.1.4 交错网格上的插值

        6.1.5 关于交错网格的一些说明

        6.1.6 离散方程的求解方法

    6.2 数值模拟的结果与讨论

        6.2.1 模型有效性的验证

        6.2.2 气体通道和扩散层中的流场

        6.2.3

质子交换膜燃料电池内氧气和水传递与分布

        6.2.4

阴阳极不同摆放位置时水的分布模拟结果讨论

        6.2.5

阴阳极不同摆放位置时氧气的分布模拟结果讨论

    参考文献

附录 符号说明

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第1章　绪论

随着人类科学技术的发展和应用，当今的节约能源和环境保护已成为人类社

会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素。

同时，它也是促进能源科技发展的巨大动力。20世纪建立起来的庞大能源系统已

无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着

巨大的挑战。能源的生产与消费和全球的气候变化，同地球上的温室效应有密切

的关系。导致温室效应的原因，一半以上是来自全球目前的能源体系，即含碳化石

燃料燃烧后所释放的二氧化碳。这类燃料提供的能量约占世界能源的80%，而且

目前每年仍以3%的幅度在持续增长。因此，二氧化碳的排放量也以同样的速度

递增。预计到2020年会增加近2倍，2025年将增加3倍。因此，提高能源的利用

率和发展替代能源将成为21世纪的主要议题。面对能源危机的严重挑战，世界各

国都在致力于寻找开发能替代传统能源的新能源。这些新能源包括太阳能、风能、

生物质能、氢能、潮汐能、地热能及核能等。经过多年的探索和努力，人们终于发现

了一种新的能源结构，即太阳能→水→氢能（电能）。科学家相信，未来的能源系统

中太阳能将作为一种主要的一次能源替代目前的煤、石油和天然气。氢能则是21

世纪替代汽油、柴油、城市煤气等的清洁能源［1，2］。

能源匮乏和环境污染是制约我国国民经济发展的重要因素。一方面，随着我

国经济的发展，能源的消耗逐年增加，我国储藏的煤、石油、天然气等资源越来越匮

乏。另一方面，由于化石能源的使用，对环境造成了严重的污染，由此带来了一系

列阻碍经济发展的现象。研究一种高效、清洁的新型能源系统是解决上述制约经

济发展因素的重要途径。目前，氢能被广泛应用在各行各业中。从氢能的角度来

划分，氢的利用形式主要有两种：一是用于燃烧，将氢能转换为热能或电能；二是通

过先进的发电装置（如燃料电池）将氢能转化为电能。

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化

为电能的发电装置［3，4］。燃料电池与一般发电装置的不同之处是直接通过电化学

反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，能量转化效率高，对环境

无污染，具有广阔的发展前景，尤其是质子交换膜（proton exchange membrane，

PEM）燃料电池。它是一种新型、高效、清洁的发电系统。其发电效率可达到60%

左右，排放物只有水，对环境没有污染。质子交换膜燃料电池可应用于交通、军事、

通信等领域。

许多国家都投入了大量人力、物力和财力致力于燃料电池的开发和研究。如

美国、日本、加拿大、德国等数十个国家都启动了氢能与燃料电池的大规模研发应

用计划，出台了一系列的鼓励支持政策，将燃料电池主要应用于汽车、小型电站、备

用电源和军事。目前，全球已建设加氢站220余座，研发示范运行各类燃料电池大

巴车、公交车、小客车。世界各大汽车厂，如通用、奔驰、丰田、本田、三菱、福特、宝

马、现代等都组织了很强的人力、物力来研发燃料电池汽车，仅美国通用汽车公司

投入到燃料电池汽车研发的人员就有600多人，使燃料电池汽车发展速度加快［5］。

2009年3月19日，美国能源部发布两个竞争性激励项目，共提供24亿美元

联邦基金，以资助插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车［6］等先进电驱

动汽车（EDV）的开发。据美国Arthur D.Little公司统计，美国2007年燃料电池

仅在交通运输方面的商业价值就已达90亿美元。2010年，燃料电池占据美国汽

车市场4%的份额，即约有60.8万辆机动车使用燃料电池。随着市场占有率的进

一步增长，未来将有121.5万辆机动车使用燃料电池，占整个美国汽车市场的

7.6%。2008年5月20日，欧洲议会通过《氢能源和燃料电池联合技术发展计

划》，提供10亿欧元科研经费，用于加速推进燃料电池技术的研究。英国、德国、法

国等也加大了对氢燃料电池的研发资助力度。欧盟的一个科学项目组织（Hy-

Ways Project）报告分析：如果氢燃料推广顺利，到2025年，推广氢燃料所带来的

好处将足以弥补前期投入；到2030年，欧盟将有1600万辆汽车使用氢燃料，与氢

燃料相关的基础设施建设投资累计将达到600亿欧元；到2050年，氢能的利用将

减少交通工具40%的石油消耗量。日本“富士经济”不久前公布了对大型充电动

力电池及燃料电池（PEFC和SOFC）市场调查的结果。据统计，2010年日本大型

电池市场中，用在轿车上的燃料电池为10亿元人民币；用在大型车上的燃料电池

为5.5亿元人民币。

为了鼓励燃料电池技术的开发与应用，美国专门出台了燃料电池汽车税收减

免政策。政策规定，购买经过认证的燃料电池汽车可以取得一定税收抵扣，税收抵

扣的多少取决于燃料电池汽车的重量及投入使用的时间。例如，若购买的燃料电

池汽车重量不超过8500磅，并于2009年年底前投入使用，将获得8千美元的税收

抵扣。对于重型车辆，税收抵扣从1万～4万美元不等。美国将开发燃料电池技

术特别是开发氢能技术，列为涉及国家安全的技术之一。专门出台了《美国向氢经

济过渡的2030年远景展望报告》，提出要走以氢能为能源基础的经济发展道路。

美国能源部制订了“氢计划”，计划2010年燃料电池汽车氢燃料的市场份额达到

25%。为实现汽车节能和零污染目标，欧盟委员会2007年10月公布了两项有关

推广清洁和安全型汽车的立法建议。在《燃料电池和氢技术的联合倡议》中，决定

将氢燃料汽车的研发作为欧盟“第7科技框架计划”的一部分。它提出在未来6年

中斥资4.7亿欧元用于鼓励从事氢燃料汽车的技术研发和推广使用。在《欧盟氢

燃料汽车批准程序》决定把氢燃料汽车纳入“欧盟汽车类型核准系统”，统一各成员

国对氢燃料汽车的技术审核标准，简化此类汽车上市的批准手续和费用。欧盟计

划在2015年前投入34亿美元从事氢能源方面的研究。欧盟25国在2003年促成

了“欧洲研究区（European Research Area，ERA）”，该项目包括了欧洲氢能和燃料

电池技术平台（EHFCP）。EHFCP的目的在于向欧盟委员会推荐燃料电池和氢

能技术发展的一些关键性领域，从而能够在2007～2012年第7框架计划（7th

Framework Programme，FP）中重点攻关。在ERA之前，欧洲制定了至2005年欧

洲的研发与示范战略，其中明确地提出了2005年欧盟燃料电池研发所要达到的目

标，其核心是降低燃料电池的成本。此战略规划中，2010年前的阶段目标是研制

以天然气为原料的用于发电的初级燃料电池产品。战略制定专家组认为到2020

年成员国当中会有5%的新型汽车和2%的船舶使用氢能产品，2030～2040年市

场占有率会不断提高，并预计在2020～2050年间可再生能源和先进的核能会成为

主要的氢能源［7］。2008年，在德国成立了氢能与燃料电池国家组织（NOW），其目

的是推进发展具有国际竞争力的产品。为替代汽油发动机，德国政府及企业在今

后10年内将提供10亿欧元进行技术研发。为鼓励燃料电池汽车的应用，欧洲各

国出台了低油耗车的税收优惠政策，以丹麦为例，根据油耗减免注册税，在油耗值

每百公里2.5升以内的情况下，注册税将为原来的3／5。日本政府在国情咨文中

提出，燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心。日本经济产业省积极推动发

展和普及以燃料电池为动力的环保汽车，确定到2030年将燃料电池汽车的普及率

提高到20%以上，数量达到1500万辆。为实现这一目标，经济产业省制订了氢能

源普及计划，大力开发氢能源利用技术，将研发预算增加到2.2亿美元。日本还确

立了以下目标：到2020年燃料电池汽车的社会保有量达500万辆以上，并建设

3800个氢燃料加注站；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。

按照我国目前的消费水平，预计到2020年我国汽油消费将达1.3亿～1.5亿

升，汽车用油将占全部用油的50%以上，即每年至少需要消耗10.5亿吨原油。中

国作为一个石油消费大国，面临开发新能源的紧迫任务。同时，我国煤炭资源丰

富，煤炭是燃料电池所需燃料的巨大来源，天时地利为我国开发燃料电池提供了有

利时机。在《国家科技发展中长期规划》和863计划中，燃料电池技术的开发和产

业化被列为重点实施的重大项目。我国洁净煤技术“2010年前发展纲要”中也把

燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一。为此，国家近年投

入了超过10亿元的研发资金，正式成立了节能与新能源汽车重大项目总体专家

组，批复了国家燃料电池汽车及动力系统工程技术研究中心的组建计划。2007年

年底，国家发改委相继发布了《产业结构调整指导目录（2007年版）》和《新能源汽

车生产准入管理规则》，新能源汽车正式进入发改委的鼓励产业目录。氢燃料、燃

料电池的关键零部件、燃料电池汽车的开发及制造，都已列入鼓励目录，享受鼓励

政策。国家还出台了消费者购买新能源车将得到税收等方面的优惠政策。规划总

投资达20亿元的国家氢燃料电池产业基地，已落户江苏宜兴，建成后将成为我国

燃料电池产业化的示范基地和燃料电池863项目成果的转化基地［8］。

我国对质子交换膜燃料电池的研究开展的较晚，研究水平较低。近年来，中国

科学院已将燃料电池技术列为“九五”院级重大和特别支持项目，国家科委也将燃

料电池列入“九五”攻关任务。中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国科

学院长春应用化学研究所、天津大学等单位对质子交换膜燃料电池展开了研究，取

得了一些进展［9，10］。十几年前，我国生产不出1台几千瓦的燃料电池堆，现在我们

可以生产出几百千瓦的燃料电池堆，且体积功率密度和质量功率密度、寿命、效率

都有很大提高。燃料电池大巴车和小客车在奥运会上示范运行取得成功。有规模

的燃料电池生产企业达到6家，能够研制燃料电池的学校达60多家。上海大众汽

车还成立了100多人的专业队伍，投资约10亿元研发燃料电池汽车。在2010年

上海世博会期间，我国已研制成功并参与运行的燃料电池汽车达到了上百辆［9］。

虽然质子交换膜燃料电池的基础研究和应用研究取得了可喜成绩，但近年来

在推广应用上却遇到了严重的障碍，其中一个主要的因素就是成本太高。提高质

子交换膜燃料电池的性能是降低其应用成本的一个重要手段。质子交换膜燃料电

池性能及其本身的结构、质子交换膜的传导率、电极多孔介质的孔隙率以及反应气

体在电池中的分布息息相关。由于质子交换膜燃料电池MEA膜不到1mm厚，很

难通过试验的方法检测工作中燃料电池质子交换膜的传导率、电极淹没和反应气

体的分布。近几十年来，研究者主要是通过建立数学模型来模拟质子交换膜燃料

电池中各组分和热的传递现象。尤其是燃料电池中水分的状态和分布是近几年来

模拟研究的重点。

水是影响质子交换膜燃料电池性能的关键因素。水分多对质子交换膜的传导

率是有利的，而在多孔电极中水分过多，会形成液态水，阻碍氧气的传递。因此，质

子交换膜燃料电池水管理的研究对提高燃料电池性能，降低燃料电池成本，为质子

交换膜燃料电池早日应用有着实际的意义，同时燃料电池的研究和应用对提高我

国人民生活水平，保持国民经济持续稳定地发展也具有重要意义。

1.1　质子交换膜燃料电池

1.1.1　质子交换膜燃料电池的发展历史

燃料电池的历史可以追溯到19世纪，自1839年英国人格罗夫首先研制成功

以来，已有170多年的发展历史［11］。当时格罗夫使用两个铂电极电解硫酸时注意

到，析出的气体（氢和氧）具有电化学活性，并在两极产生约1V的电势差。利用这

个基本原理产生了多种燃料电池，常用的燃料电池分类方法是，把燃料电池按电

解质的性质分类，可以分为以下几类，碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）、磷酸

燃料电池（phosphorous acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten car-

bonate fuel cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel

cell，SOFC）、质子

交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、直接甲醇燃料电

池（direct methanol fuel cell，DMFC）、再生燃料电池（regeneration fuel

cell，

RFC）［12～14］等。各类燃料电池各自处在不同的发展阶段。在历史上，质子交换膜

燃料电池实际上是先得到应用的燃料电池。

早在1850年，人们已经知道离子交换过程，但应用于燃料电池却是100年以

后的事了。液态电解液存在密封和电解液循环的难题，采用固态电解质就会使结

构更加简单。通用电气公司的格鲁布和里德拉首先发明了质子交换膜燃料电池技

术。1955年，格鲁布个提出用离子交换膜作为电解质的想法，1959年获得专

利。20世纪60年代，通用电气公司宣布取得初步成功，所用的氢气由氢化锂

（LiH）和水反应发生，之后通用公司为美国海军开发了小型质子交换膜燃料电池。

后来，质子交换膜燃料电池技术成为美国航天局（NASA）双子星座计划的一部分。

双子星座的主要目的是为探索月球的阿波罗飞船做准备。经过14天的运行试验，

NASA选中通用的质子交换膜燃料电池，但通用的P2型质子交换膜燃料电池遇

到了技术难题，包括电池污染和氧气经过膜渗透漏的问题，因而双子星座4的飞行

就用AFC代替质子交换膜燃料电池。通用重新设计了其质子交换膜燃料电池，新

型P3型质子交换膜燃料电池用于双子星座5上。但在美国航天飞机用电源的竞

争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池，导致质子交换膜燃料电池研究

长时间处于低谷［12～17］。1984年以前，除了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）

的少量工作，质子交换膜燃料电池的研究基本处于停滞状态。1984年，加拿大国

防部注意到质子交换膜燃料电池可在室温下快速启动，具有成为移动动力电源的

潜力，斥资支持Ballard又开始进行质子交换膜燃料电池的研究。在美国、加拿大

等国科学家们的努力下，质子交换膜燃料电池取得了突破性进展，相继解决了电极

结构立体化、大幅度降低催化剂的铂（Pt）用量、电极-膜-电极三合一组件（MEA）的

热压合以及电池内的水传递与平衡等一系列技术问题。

国际上有多家公司和科研机构对质子交换膜燃料电池进行研究，如加拿大的

Ballard、德国的Siemens、美国的Hpower及一些大的汽车公司等［18，19］。目前，质

子交换膜燃料电池本体技术已趋于成熟，其关键部分——质子交换膜已达到商品

化阶段。Ballard为加拿大国防部建造的45kW质子交换膜燃料电池潜水艇已于

1996年年底完成，并且在2003年建成一艘212级300kW质子交换膜燃料电池潜

水艇，能提供8节的巡航速度。此外该公司还成功开发了质子交换膜燃料电池的

巴士车，装配了一辆12192mm大型巴士。燃料电池引擎安装在原柴油引擎的位

置，并达到柴油机引擎的性能，而没有污染。引擎由20个Ballard第二代13kW质

子交换膜燃料电池堆组成，功率为260kW（650V，400A）。氢气存放在先进的石

墨-聚合物复合瓶中，储气量是铝瓶的3倍，安装在车顶，可供行使400km。0～

50km／h加速时间为19s，时速95km／h。该车已于1995年7月开始运行。

国内以中国科学院大连化学物理研究所为代表的科研技术人员，经过三十多

年的科研和国家“九五”科技攻关，在质子交换膜燃料电池系统技术上取得了长足

的进展，初步形成了自主的知识产权体系。该研究所已成功地组装了百瓦至

30kW的系列电池组系统，组装总量累计已超过120kW，其5kW与6×5kW＝

30kW系统与中国科学院北京电工所研制的电控制及电推进动力系统成功地完成

了联试，并已于2000年年底与二汽集团进行电动汽车装车实验，开创了国内以燃

料电池为动力源的电动汽车的先例。燃料电池推动电动中巴车速度达到60km／h，

上路试车一次成功，这标志着中国的燃料电池整体科研水平已具有世界先进水平。

2002年年初，大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术被列为中国科学院科

技创新战略行动计划的重大项目之一，中国科学院和科技部为这项21世纪的

洁净、高效发电技术投资逾1亿元。“2005北京国际马拉松”赛事上，两辆燃料电

池大巴历经9个多小时，近百公里的后勤收容工作，没有发生任何故障。这两辆外

观普通的大巴——“清能一号”和“清能三号”是上海神力科技有限公司和清华大学

联合研制的，代表了当时中国燃料电池大巴的水准。2009年6月17日，工业

和信息化部制定《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，为我国燃料电池汽

车的发展制定了规则，为其大量生产提供了依据。2009年，上海市有关部门出台

了燃料电池汽车的“十百千工程”。在2010年世博会期间，部署使用了10个加氢

站、100辆燃料电池大巴和1000辆燃料电池轿车，同时在氢燃料电池方面，上海将

在未来3年内投入13亿元。

2010年，全球的质子交换膜燃料电池示范电站落户广州大学城。它由华

南理工大学自行设计、建造。示范电站可以实现24小时运转，产生的电流直接输

送到学校的380V低压电网上，满负荷运行时可满足电站附近的豪华准五星级酒

店——华工国际学术中心正常运营。

1.1.2　质子交换膜燃料电池的特点

1.燃料电池的优点

燃料电池之所以受到世人的关注，是因为它具有其他能量发生装置不可比拟

的优越性，主要表现在以下几个方面［20～22］：

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书籍介绍

《质子交换膜燃料电池的水管理研究》紧密结合当前质子交换膜燃料电池的研究热点，对质子交换膜燃料电池水管理的研究现状进行了较为详尽的分析和总结。全书共分为六章，主要内容包括绪论，质子交换膜燃料电池的工作原理与关键部件，质子交换膜燃料电池的理论计算，质子交换膜燃料电池水管理实验，质子交换膜燃料电池水管理的数学模型及数值模拟结果。全书较系统的介绍了质子交换膜燃料电池水管理的最新成果和发展方向，总结了作者的研究成果。

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