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在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，温度影响膜水含量和功率密度进而影响质子传输效率。研究人员提出膜质子传输（MPT）模型并实验研究。结果显示模型预测与实验趋势相符，70°C 时性能最佳。该研究为优化 PEMFCs 性能提供理论依据。
随着全球对清洁能源的需求日益增长，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效、零排放的特性，成为了能源领域的 “潜力之星”。它就像一个神奇的能量转换小能手，能把化学能高效地转化为电能。然而，这个 “小能手” 在工作时却面临着一些挑战。
PEMFCs 的性能受多种因素影响，其中温度的作用尤为关键。温度就像一把双刃剑，既能影响膜水含量，又能左右质子的传输效率，进而对燃料电池的整体性能产生重大影响。在之前的研究中，虽然已经知道温度会影响 PEMFCs 的性能，比如会导致阴极水淹、电压损失、燃料气体传输受阻等问题，但对于温度如何定量影响质子传输，却缺乏深入的研究。这就好比我们知道天气会影响交通，但却不清楚具体是怎样影响每一辆车的行驶速度的。为了填补这一空白，来自北京建筑大学等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。
研究人员提出了一种膜质子传输（MPT）模型，这个模型考虑了温度变化对膜水含量的影响，并推导出了输出电压计算公式。他们还将 MPT 模型集成到 COMSOL 软件中进行多物理场模拟。同时，研究人员搭建了 PEMFC 实验系统，在 50°C、60°C 和 70°C 的不同温度下开展实验。通过实验，他们精确控制阳极和阴极的气体流速和相对湿度，获取了大量宝贵的数据。
在研究过程中，研究人员用到了几个主要的关键技术方法。首先是模型构建技术，构建 MPT 模型并对其进行优化。其次是实验技术，搭建 PEMFC 实验系统进行不同温度下的实验。最后是模拟技术，利用 COMSOL 进行多物理场模拟，将模拟结果与实验数据对比分析 。
下面来看看具体的研究结果：
- 极化曲线验证模型可靠性：通过对比 PEMFC 在 50°C、60°C 和 70°C 下的极化曲线与实验结果，发现 MPT 模型的趋势与实验值一致，都是随着电流密度增加，输出电压降低。不过，MPT 模型预测的整体输出电压比实验数据高，这主要是因为模型忽略了 PEMFC 的内阻。在 70°C 时，模型预测与实验值的最大相对误差为 8.41%，在 0 - 800mA/cm2 的电流密度范围内，相对误差在 0.12% - 2.52% 之间，这充分证实了 MPT 模型预测的可靠性。
- 温度对 PEMFC 性能的影响：研究发现，适度提高运行温度对 PEMFC 性能有积极影响。较高的运行温度能显著提高质子电导率、跨膜水传输和电化学反应速率。这是因为温度升高增加了膜内水分子的活性，优化了质子传输效率和膜水含量。而且，随着输出电压降低，跨膜水通量会进一步增强。在 70°C、0.65V 的条件下，PEMFC 能达到最佳性能，最大功率密度可达 399.73mW/cm2。
从研究结论和讨论部分可以看出，这项研究意义重大。MPT 模型的建立和验证，为研究温度对质子传输和 PEMFC 性能的影响提供了有效的工具。研究结果明确了温度影响 PEMFC 性能的具体机制，为优化质子传输和跨膜水管理提供了理论依据。这不仅有助于提高 PEMFC 在稳定条件下的效率和性能，还为 PEMFC 的进一步发展和应用奠定了坚实的基础。相信在未来，随着研究的不断深入，PEMFC 将在清洁能源领域发挥更大的作用，为我们的生活带来更多的便利和环保效益。
