科學(xué)通報(bào) | 陶文銓院士團(tuán)隊(duì)綜述質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值仿真及其工程應(yīng)用

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近期，陶文銓院士團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表評(píng)述文章，系統(tǒng)綜述了氫燃料電池膜電極、單電池、電堆及系統(tǒng)運(yùn)行等多層次模型的構(gòu)建方法，探討了高效分析模型的發(fā)展趨勢(shì)，為其性能優(yōu)化與工程設(shè)計(jì)提供了重要參考。

能源是人類(lèi)賴以生存與發(fā)展的重要基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，全世界能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主導(dǎo)，不僅導(dǎo)致能源儲(chǔ)備日趨緊張，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。世界各大經(jīng)濟(jì)體相繼提出碳中和目標(biāo)。氫能作為一種無(wú)污染的新能源，利用可再生能源制氫，可解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定的問(wèn)題，將成為未來(lái)能源格局的重要組成部分，受到各國(guó)廣泛關(guān)注。國(guó)際能源署于2021年制定了《2050年凈零排放：全球能源路線圖》，預(yù)測(cè)2050年綠氫需求占比將達(dá)到12%~18%，其中氫動(dòng)力裝置占比達(dá)2/3。我國(guó)高度重視氫能的發(fā)展，制定了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》。在國(guó)家政策的支持下，我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈正在迅速發(fā)展，然而總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫能利用的普及度仍較低，無(wú)論是上游的制氫、中游的儲(chǔ)氫運(yùn)氫、還是下游的氫能應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈及配套設(shè)施的建立仍然處于發(fā)展階段，同時(shí)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)部分相關(guān)領(lǐng)域尚不夠成熟，因此開(kāi)展針對(duì)性科學(xué)研究工作迫在眉睫。

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游階段的核心設(shè)備，它是直接將氫能中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的清潔發(fā)電裝置。目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池的功率、功率密度等指標(biāo)已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但在可靠性、壽命、成本及衰減機(jī)理等方面仍有很大差距，亟待開(kāi)展更深入的探索性研究。

PEMFC內(nèi)部過(guò)程復(fù)雜，傳統(tǒng)的理論解析方法難以應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)研究也存在成本高、周期長(zhǎng)等限制，難以滿足面向工程應(yīng)用的快速迭代研發(fā)需求。數(shù)值模擬技術(shù)已成為面向PEMFC設(shè)計(jì)的性能預(yù)測(cè)和參數(shù)敏感性分析的有效工具。本文系統(tǒng)梳理了2006年以來(lái)國(guó)內(nèi)外PEMFC數(shù)值模擬的研究進(jìn)展，具體內(nèi)容包括8個(gè)部分：1. 膜電極模型，2. 單電池宏觀模型，3. 單電池多尺度模型，4. 電堆模型，5. 運(yùn)行過(guò)程模型，6. 系統(tǒng)控制模型，7. 高效分析模型，8. 數(shù)值方法在大功率電堆開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用實(shí)踐。

文中第1到第7部分都提出了進(jìn)一步研究的建議，主要有：1. 在團(tuán)聚塊模型中考慮電子、質(zhì)子之間的協(xié)同作用；2. 膜電極的數(shù)值計(jì)算中需要進(jìn)一步考核描述液態(tài)水在多孔電極內(nèi)傳輸?shù)拿?xì)力-液態(tài)水飽和度關(guān)聯(lián)式的有效性; 3. 為揭示PEMFC中大量參數(shù)綜合變化對(duì)電池輸出特性的影響規(guī)律，亟待開(kāi)展相似原理和人工智能的深入應(yīng)用的研究；4. 需要研究在計(jì)算資源可接受的前提下，獲得由幾百片單電池組成的整個(gè)商業(yè)規(guī)模電堆的完整多物理量分布特性的仿真方法。

本文可為從事氫燃料電池設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的研究生和研究人員提供參考。

文章信息

陶文銓*, 白帆, 張卓, 何璞, 方文振, 母玉同, 陳磊, 陳黎. 質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值仿真及其工程應(yīng)用綜述. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71(8): 1576-1595

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