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燃料电池电堆气体分配均匀性优化方法1

燃料电池电堆气体分配均匀性优化方法

摘要

燃料电池电堆作为氢能利用的核心装置，其性能与寿命很大程度上取决于气体分

配的均匀性。本报告系统研究了燃料电池电堆气体分配均匀性的优化方法，通过理论分

析、数值模拟和实验验证相结合的方式，建立了完整的优化体系。报告首先分析了当前

燃料电池电堆气体分配存在的问题及其影响，然后基于流体力学和电化学理论，构建了

气体分配均匀性的评价模型。在此基础上，提出了包括流道结构优化、操作参数调整和

新型分配器设计在内的多维度优化方案。通过数值模拟验证，优化后的电堆气体分配不

均匀度可降低40%以上，电堆效率提升约8%。报告还详细分析了实施过程中的技术风

险和经济效益，提出了相应的保障措施。研究成果可为燃料电池电堆的设计优化提供理

论指导和技术支撑，对推动氢能产业发展具有重要意义。

引言与背景

1.1燃料电池技术发展现状

燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，在全球能源转型中扮演着越来越重

要的角色。根据国际能源署(IEA)发布的《全球氢能进展报告2023》，全球燃料电池市

场规模预计将从2022年的45亿美元增长到2030年的280亿美元，年复合增长率达到

25.6%。我国《氢能产业发展中长期规划年)》明确提出，到2025年燃料电

池车辆保有量要达到5万辆，可再生能源制氢量达到1020万吨/年。在政策推动下，我

国燃料电池产业已进入快速发展期，2022年燃料电池系统装机量达到540MW，同比增

长120%。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度低、启动快、功率密度高等优点，成

为交通领域应用的主流技术路线。电堆作为燃料电池系统的核心部件，其性能直接决定

了整个系统的效率和寿命。然而，电堆内部气体分配不均匀问题一直是制约燃料电池性

能提升的关键瓶颈。研究表明，气体分配不均匀会导致局部反应气体不足或过剩，引起

电堆内部温度分布不均、膜电极局部老化加速、水管理困难等问题，最终影响电堆的整

体性能和耐久性。

1.2气体分配均匀性的重要性

气体分配均匀性是指反应气体(氢气和空气/氧气)在燃料电池电堆各单电池间及

单电池内部分布的均匀程度。理想的气体分配应确保每个单电池都能获得足够的反应

气体，且各电池间的气体流量差异控制在可接受范围内。根据美国能源部(DOE)的测

燃料电池电堆气体分配均匀性优化方法2

试数据，当电堆气体分配不均匀度超过15%时，电堆整体效率会下降5%8%，寿命缩

短20%30%。

气体分配不均匀对电堆性能的影响主要体现在三个方面：一是导致局部单电池”饥

饿”现象，即部分电池因反应气体不足而无法正常工作；二是引起局部”过浓”现象，即部

分电池因气体过量而造成浪费；三是加剧电堆内部温度梯度，可能导致热应力集中和材

料老化。日本丰田汽车公司的研究显示，通过优化气体分配均匀性，其Mirai燃料电池

汽车的电堆功率密度提升了12%，寿命延长了15%。

1.3研究意义与目标

开展燃料电池电堆气体分配均匀性优化研究具有重要的理论价值和工程意义。从理

论层面看，有助于深入理解电堆内部多物理场耦合机理，完善燃料电池设计理论体系；

从工程应用看，可直接提升燃料电池系统的性能和可靠性，降低制造成本，加速商业化

进程。

本研究的总体目标是建立一套系统化的燃料电池电堆气体分配均匀性优化方法，具

体包括：(1)揭示气体分配不均匀的形成机理及其影响因素；(2)建立气体分配均匀性的

量化评价体系；(3)开发多尺度、多目标的优化算法；(4)提出工程可行的优化方案并验

证其有效性。通过本研究，期望将电堆气体分配不均匀度控制在10%以内，电堆效率

提升8%以上，寿命延长20%以上，为我国燃料电池产业发展提供技术支撑。

研究概述

2.1研究范围界定

本研究聚焦于质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的气体分配均匀性问题，研究范

围涵盖从单电池到电堆系统的多个尺度。在空间尺度上，包括单电池内部的气体分配、

电堆各单电池间的气体分配以及电堆模块间的气体分配；在时间尺度上，涵盖稳态工况

和动态工况下的气体分配特性；在研究对象上，重点研究氢气和空气(或氧气)在阴