科學通報 | 陶文銓院士團隊綜述質子交換膜燃料電池的數值仿真及其工程應用

Grain Rain, One of The Twenty-Four Solar Terms

近期，陶文銓院士團隊在《科學通報》發表評述文章，系統綜述了氫燃料電池膜電極、單電池、電堆及系統運行等多層次模型的構建方法，探討了高效分析模型的發展趨勢，為其性能優化與工程設計提供了重要參考。

能源是人類賴以生存與發展的重要基礎。長期以來，全世界能源結構以化石能源為主導，不僅導致能源儲備日趨緊張，還造成了嚴重的環境污染。世界各大經濟體相繼提出碳中和目標。氫能作為一種無污染的新能源，利用可再生能源制氫，可解決可再生能源發電不穩定的問題，將成為未來能源格局的重要組成部分，受到各國廣泛關注。國際能源署于2021年制定了《2050年凈零排放：全球能源路線圖》，預測2050年綠氫需求占比將達到12%~18%，其中氫動力裝置占比達2/3。我國高度重視氫能的發展，制定了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》。在國家政策的支持下，我國的氫能產業鏈正在迅速發展，然而總體來說，當前國內氫能利用的普及度仍較低，無論是上游的制氫、中游的儲氫運氫、還是下游的氫能應用環節，相關產業鏈及配套設施的建立仍然處于發展階段，同時現今國內部分相關領域尚不夠成熟，因此開展針對性科學研究工作迫在眉睫。

質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是氫能產業鏈下游階段的核心設備，它是直接將氫能中的化學能轉換為電能的清潔發電裝置。目前國內氫燃料電池的功率、功率密度等指標已接近國際先進水平，但在可靠性、壽命、成本及衰減機理等方面仍有很大差距，亟待開展更深入的探索性研究。

PEMFC內部過程復雜，傳統的理論解析方法難以應用。實驗研究也存在成本高、周期長等限制，難以滿足面向工程應用的快速迭代研發需求。數值模擬技術已成為面向PEMFC設計的性能預測和參數敏感性分析的有效工具。本文系統梳理了2006年以來國內外PEMFC數值模擬的研究進展，具體內容包括8個部分：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. 運行過程模型，6. 系統控制模型，7. 高效分析模型，8. 數值方法在大功率電堆開發中的應用實踐。

文中第1到第7部分都提出了進一步研究的建議，主要有：1. 在團聚塊模型中考慮電子、質子之間的協同作用；2. 膜電極的數值計算中需要進一步考核描述液態水在多孔電極內傳輸的毛細力-液態水飽和度關聯式的有效性; 3. 為揭示PEMFC中大量參數綜合變化對電池輸出特性的影響規律，亟待開展相似原理和人工智能的深入應用的研究；4. 需要研究在計算資源可接受的前提下，獲得由幾百片單電池組成的整個商業規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計與開發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. 質子交換膜燃料電池的數值仿真及其工程應用綜述. 科學通報, 2026, 71(8): 1576-1595

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