高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池是一种可将氢能转换为电能的高效、环保发电装置,具有体积小、工作安静、启动迅速和可靠性高等许多优点。不仅可以应用于小型移动电源、备用电源及分散型发电站,还可以为汽车、飞机、船舶等常用交通工具提供动力。催化剂层和扩散层是HT-PEM燃料电池的重要组成部分,其中的传质对电池的性能有重要影响。本文通过模拟来研究HT-PEM燃料电池阴极的扩散层、催化剂层中的氧气浓度和水分浓度分布,研究成果对HT-PEM燃料电池结构参数的优化及电池的推广应用具有重要影响。本文通过阅读大量资料文献,总结了燃料电池的发展史和研究现状,详细介绍了HT-PEM燃料电池工作原理,描述了 PEM燃料电池特点和用途,强调了 PEM燃料电池的结构及关键组成部件。同时,根据电化学热力学和动力学理论分析了 PEM燃料电池工作状态。本文在前人研究的基础上,建立了一个二维、单相、稳态数学模型来研究HT-PEM燃料电池阴极氧气和水分扩散传递规律。模型提出了基本假设,耦合了质量守恒方程、动量方程、能量方程、组分方程,也耦合了催化剂层中电流电压关系的Butler-Volmer方程和质子交换膜中电荷传递方程,并给出了边界条件。根据模拟的需要获得了网格划分的数量,绘制了程序运行图。模拟获得了 HT-PEM燃料电池伏安特性,对比它的试验伏安特性,发现模拟结果和试验结果具有很高的吻合度,说明建立的数学模型和模拟方法是有效的。根据已经建立的数学模型,模拟获得了 HT-PEM燃料电池的特性和阴极反应物及生成物的分布特性,分析了扩散层孔隙率及其厚度、流道深度、流道宽度及电池工作温度对电池阴极中氧气、水分浓度分布的影响。研究发现:沿着气体的流动方向,氧气浓度由于被阴极电化学反应消耗而渐渐降低,水分浓度由于阴极电化学反应生成而逐渐升高;沿着催化剂层到扩散层方向,氧气浓度逐渐升高,而水分浓度渐渐降低;在一定范围内降低扩散层的厚度或增大扩散层孔隙率有益于氧气的输入和产物水的排出,可以促进阴极电化学反应,有利于催化剂层与扩散层中氧气的消耗与水分的生成;在一定范围内增大流道深度或增大流道宽度,可以促进阴极催化剂层与扩散层中氧气的消耗与水分的生成;升高电池工作温度,可以增大质子交换膜内质子传递和电极内物质传递速度,提高催化剂层内的电化学反应速度,促进阴极内氧气的消耗与水分的生成。研究结果对优化HT-PEM燃料电池结构参数与推广应用HT-PEM燃料电池的具有重要意义。