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CIESCJournal,2025,76(1):374-384化工学报2025年第76卷第1期|

研究论文DOI：10.11949/0438-1157

工作温度对PEMFC水分布、质子传输及性能影响分析

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韩启沃，刘永峰，裴普成，张璐，姚圣卓

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（北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京市建筑安全监测工程技术研究中心，北京100044；

2清华大学智能绿色车辆与交通全国重点实验室，北京100084）

摘要：工作温度直接影响质子交换膜燃料电池（PEMFC）的膜态水含量和功率密度，决定了膜的质子传输效率。

为研究工作温度对PEMFC质子传输效率及性能的影响，提出了膜质子传输（membraneprotontransport，MPT）模

型。该模型考虑了工作温度变化对膜态水含量的影响，推导了输出电压计算公式，并将MPT模型耦合进

COMSOL进行了多物理场计算。搭建了燃料电池测试系统，在进气相对湿度100%，工作温度为50、60和70℃下

进行了实验和数值仿真，基于MPT模型计算了输出电压，分析了工作温度变化对跨膜水通量、膜态水含量和质

子电导率的影响。结果表明：工作温度为70℃时，MPT模型与实验值的最大相对误差为8.41%；在电流密度0~

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800mA/cm范围内，相对误差为0.12%~2.52%。相同进气口压力、进气相对湿度和进气流量下，随着工作温度升

高，跨膜水通量增加，膜态水含量降低且分布更均匀，PEM的湿润程度更高，质子电导率升高。在电流密度0~

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650mA/cm范围内70℃的输出电压低于50℃，在电流密度650~1300mA/cm范围内高于50℃和60℃。随着电流密

度升高，跨膜水通量增加，膜态水含量分布更均匀，部分工况下质子电导率升高。当工作温度为70℃时，

2

PEMFC的功率密度最大，为399.73mW/cm。

关键词：燃料电池；质子交换膜；工作温度；电池性能；数值模拟；再生能源

中图分类号：TM911.48文献标志码：A

文章编号：0438-1157（2025）01-0374-11

Analysisofinfluenceofoperatingtemperatureonwaterdistribution,proton

transportandperformanceofPEMFC