质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气为燃料的能量转换装置,因其污染物零排放、能量转化效率极高、低温启动速度快等优良特性吸引了越来越多学者和企业的关注。为研究阳极水含量对车用燃料电池性能的影响,提出了燃料电池水管理(WM,Water Management)模型。此模型根据燃料电池流道内反应气体中的水蒸汽冷凝现象,考虑电池中进气压力对水活度的影响等因素,推导出燃料电池60℃工作温度、25%至100%阳极进气相对湿度变化对水管理的影响规律。本文内容分为以下三个部分:第一部分描述了PEMFC基本理论和PEMFC水管理(WM)模型控制方程。建立了燃料电池计算模型和网格,并将WM模型和流体动力学软件Fluent用于PEMFC在不同工作条件下的水分布过程的模型仿真,得到氢气、氧气和水摩尔分数分布云图和仿真性能极化曲线。第二部分设计并搭建了由直流道PEMFC为测试对象的测试系统,并在燃料电池工作温度为60℃,进气口压力固定为0.1MPa,阴极进气相对湿度为100%,阳极进气相对湿度分别为25%、50%、75%和100%的工作条件下进行了PEMFC性能测试试验,得到性能测试试验极化曲线。第三部分通过模型仿真得到的电池内部反应物摩尔分布和水的质量分布云图,研究电池内部水和反应物传输规律。通过不同工况下WM模型中的仿真结果和性能试验中的试验数据的对比,验证WM模型能较准确地预测阳极进气相对湿度对PEMFC性能的影响。结果表明:在燃料电池工作温度为60℃时,阴极进气相对湿度100%工况下,随着阳极流道中气态水的增加,质子交换膜的水合更充分,此时质子交换膜的氢质子电导率提高,增强了燃料电池性能。在燃料电池工作温度为60℃时,阴、阳极进气压力100KPa,阴极和阳极的饱和增湿会使流道内液态水含量积聚,高电流密度下的水淹现象出现的几率升高,从而堵塞PEMFC气体扩散层的毛细管,加剧PEMFC浓差极化,电池性能衰减。