伴随着传统资源的逐渐匮乏,各国对于新能源技术的研发都十分重视。质子交换膜(PEM)燃料电池作为一种高能效、无污染的新能源发电装置而广受青睐。传统的质子交换膜燃料电池工作温度为80℃,这种电池对于反应气体的纯度要求较高。同时,传统的PEM燃料电池的水管理也较为复杂。高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池相比于传统PEM燃料电池,除了保留了传统PEM燃料电池优点外,还克服了传统PEM燃料电池以上两个缺点,具有良好的应用前景。目前,HT-PEM燃料电池在电池性能、使用寿命和价格成本方面还不能很好地满足大规模使用要求。本文采用实验和模拟两种方法对HT-PEM燃料电池的性能进行了研究,分析了 HT-PEM燃料电池在不同运行条件下性能的变化趋势,这对提高HT-PEM的性能有一定的指导意义。本文在阅读大量关于PEM燃料电池文献的基础上,归纳了燃料电池的发展史、研究现状和应用现状,阐述了 PEM燃料电池的工作原理、结构组成以及用途特点。同时也对相关于PEM燃料电池的热力学、动力学和电化学相关知识做了阐述。论文搭建了燃料电池测试平台,采用此测试系统对HT-PEM燃料电池的伏安特性以及交流阻抗特性进行了测试,又分析了加湿状态下HT-PEM燃料电池进气温度变化对电池性能的影响。采用等效电路法,分析了 HT-PEM燃料电池交流阻抗图谱,获得了电池的等效电路和等效元件,并分析了进气温度和加湿湿度对等效元件阻抗的影响。实验结果发现:在不加湿提升进气温度时,HT-PEM燃料电池的性能有一定的提升;加湿状态下升高进气温度对电池性能的影响较小。论文基于传质学、电化学、流体力学和固体力学理论,建立了三维、单相HT-PEM燃料电池传质数学模型,模型耦合了固体力学场、多孔介质反应流和二次电流分布场。采用此模型,模拟了 HT-PEM燃料电池内氧气、水分、氢气的传递和分布、电池夹装应力、变形和孔隙率分布,分析了装配预应力对扩散层碳纸的应力、应变、孔隙率、物质传递和电流密度的影响。结果表明随着流脊受到压力增大时,流脊下方扩散层的孔隙率减小,气体传质扩散变得困难。当预应力为2MPa时,HT-PEM燃料电池具有最佳性能。基于介观动力学理论,采用Materials Studio软件构建了 HT-PEM燃料电池阴极扩散层的介观传质模型,通过Martini力场描述了模型中珠子间的相互作用。分析了不同的模型参数条件下,模型中气体传质扩散系数的变化。模拟分析发现:在温度升高时,系统中气体各组分的扩散系数增大,说明升温有利于传质扩散;水的质量比增大时,会对氧气的扩散造成阻碍,使其扩散系数下降。