科学通报 | 陶文铨院士团队综述质子交换膜燃料电池的数值仿真及其工程应用

Grain Rain, One of The Twenty-Four Solar Terms

近期，陶文铨院士团队在《科学通报》发表评述文章，系统综述了氢燃料电池膜电极、单电池、电堆及系统运行等多层次模型的构建方法，探讨了高效分析模型的发展趋势，为其性能优化与工程设计提供了重要参考。

能源是人类赖以生存与发展的重要基础。长期以来，全世界能源结构以化石能源为主导，不仅导致能源储备日趋紧张，还造成了严重的环境污染。世界各大经济体相继提出碳中和目标。氢能作为一种无污染的新能源，利用可再生能源制氢，可解决可再生能源发电不稳定的问题，将成为未来能源格局的重要组成部分，受到各国广泛关注。国际能源署于2021年制定了《2050年净零排放：全球能源路线图》，预测2050年绿氢需求占比将达到12%~18%，其中氢动力装置占比达2/3。我国高度重视氢能的发展，制定了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。在国家政策的支持下，我国的氢能产业链正在迅速发展，然而总体来说，当前国内氢能利用的普及度仍较低，无论是上游的制氢、中游的储氢运氢、还是下游的氢能应用环节，相关产业链及配套设施的建立仍然处于发展阶段，同时现今国内部分相关领域尚不够成熟，因此开展针对性科学研究工作迫在眉睫。

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是氢能产业链下游阶段的核心设备，它是直接将氢能中的化学能转换为电能的清洁发电装置。目前国内氢燃料电池的功率、功率密度等指标已接近国际先进水平，但在可靠性、寿命、成本及衰减机理等方面仍有很大差距，亟待开展更深入的探索性研究。

PEMFC内部过程复杂，传统的理论解析方法难以应用。实验研究也存在成本高、周期长等限制，难以满足面向工程应用的快速迭代研发需求。数值模拟技术已成为面向PEMFC设计的性能预测和参数敏感性分析的有效工具。本文系统梳理了2006年以来国内外PEMFC数值模拟的研究进展，具体内容包括8个部分：1. 膜电极模型，2. 单电池宏观模型，3. 单电池多尺度模型，4. 电堆模型，5. 运行过程模型，6. 系统控制模型，7. 高效分析模型，8. 数值方法在大功率电堆开发中的应用实践。

文中第1到第7部分都提出了进一步研究的建议，主要有：1. 在团聚块模型中考虑电子、质子之间的协同作用；2. 膜电极的数值计算中需要进一步考核描述液态水在多孔电极内传输的毛细力-液态水饱和度关联式的有效性; 3. 为揭示PEMFC中大量参数综合变化对电池输出特性的影响规律，亟待开展相似原理和人工智能的深入应用的研究；4. 需要研究在计算资源可接受的前提下，获得由几百片单电池组成的整个商业规模电堆的完整多物理量分布特性的仿真方法。

本文可为从事氢燃料电池设计与开发的研究生和研究人员提供参考。

文章信息

陶文铨*, 白帆, 张卓, 何璞, 方文振, 母玉同, 陈磊, 陈黎. 质子交换膜燃料电池的数值仿真及其工程应用综述. 科学通报, 2026, 71(8): 1576-1595

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