论文目的：

随着社会经济的飞跃发展，全世界对能源的需求日益增加。能源是现代经济的主要依靠，促进着当今社会大步向前^[1]。研发新能源以及可再生能源是我们向社会可持续发展迈出的必不可少的一步。在新能源和可再生能源中，氢能占据着举足轻重的地位。现阶段氢能经济已经取得快速发展,而氢气最安全高效的使用方式是通过质子交换膜燃料电池(PEMFC)将氢能直接转化为电能^[2]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是目前应用最广泛的燃料电池，但是受限于其性能、寿命及成本，尚未实现商业化^[3-5]。在对于质子交换膜燃料电池研究中，还存在着排水方面的问题。水是影响质子交换膜燃料电池性能的一个重要因素,其在质子交换膜上的分布特性很大程度上可以决定质子交换膜燃料电池的效率,通过恰当的水管理能有效提高电池性能。在质子交换膜燃料电池的反映过程中，在阳极氢气发生氧化反应与，在阴极氧气发生还原反应会生成水，而水的积累会造成膜电极的腐蚀，从而影响燃料电池的使用寿命，因此，良好的流道结构会有良好的排水性能，可以及时将积累的水排水，从而大大提高质子交换膜燃料电池的使用寿命。因此，本次研究通过相关数据与资料的收集、整理，构建质子交换膜燃料电池的数学模型，并且对PEMFC做不同流场电池耐久性测试，利用测试平台对电池按照实际路谱进行耐久加速试验，运用扫描电镜分析不同流场结构排水性能对膜电极的腐蚀影响，最后通过分析膜电极的腐蚀情况从而判断不同流场结构的质子交换膜燃料电池的排水性能及电池的耐久性能好坏，给出质子交换膜燃料电池流场优化设计的合理建议，这是本篇论文目的所在。

论文意义：

随着全世界对燃料电池的高度重视，国内外许多学者对此发展的研究逐步深入。本文对车用质子交换膜燃料电池阴极碳腐蚀的研究意义主要集中在以下两个方面：①从新能源汽车发展角度进行研究，探讨燃料电池电动汽车中质子交换膜燃料电池的性能及寿命问题，为新能源汽车的研究发展提供了参考价值。②从科学研究角度进行探讨，本论文构建质子交换膜燃料电池的数学模型，并且对质子交换膜燃料电池做不同流场电池耐久性测试，通过分析质子交换膜燃料电池的膜电极腐蚀情况，对PEMFC流道结构优化设计的相关研究有着重要的指导意义。

国内外研究现状分析：

全球有80家单位把 PEMFC开发作为主要发展方向,有美国国际燃料电池公司、美国 Onsi公司、加拿大Ballard公司、荷兰ECN公司、日本东芝、美国联信公司、德国MTU公司、日本宣士电机公司、美国Plug Power公司、德国西门子公司、日本松下、美国Analytic Power公司、日本三菱、日本三洋、美国能源研究公司和美国西屋公司等。由于取得的进展,一些著名跨国企业也加入了研制 PEMFC 系统行列。而流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因^[6],对于PEMFC流道结构及电池的耐久性的研究，各国也不断深入。Chiu HC等对比了平行流道，交错型流道和蛇形流道的传质性能和电池性能，通过流道宽度、高度及长宽比例的不同来研究电池的整体效果，结果表明，交错型流道最有利于排水，在平行流道及蛇形流道中减小流道的高度及宽度，电池性能会提高。

S Shimpalee^[7]等人模拟了相同流道面积条件下不同流道的数目对于电池传质的影响。J Scholta等人模拟了平行直流道不同流道宽度和岸宽对燃料电池性能的影响，结果表明流道的最佳尺寸是流道宽和岸宽都在0.7mm到1mm时电池性能最好。Y Y Duan等人模拟了单蛇和三通道多蛇流道截面不同长宽比条件下的电池性能，这些形式的双极板各有优缺点^[8]然而，对于高温PEM燃料电池的研究却较少,但是中低温PEM燃料电池在流道设计方面的研究却值得后者参考。R Boddu等主要是模拟了不同尺寸,不同分布的蛇形流道反应气的流动特征，研究结果表明:在相同的活性面积下，并列的流道数目越多，流道截面越小，越有利于减小压降。同时模拟了进口不同压力系数条件下的传质损失，从而知道流场的设计。双极板的厚度要尽量薄，与电极的接触面要尽量均匀，以保证接触电阻和热阻的最小化，同时也更有利于传质，减小压降，使电流密度分布更加均匀，提高总电流和功率密度。

国内研究PEMFC流道结构及电池耐久性的单位很多,据不完全统计,计有中科院大连化物所、长春应化所、上海有机所、清华大学、北京石油大学、北京理工大学、天津大学、上海交大、复旦大学、上海大学、厦门大学、华中理工大学、成都电子科技大学、天津电源研究所、上海空间电源研究院、上海神力公司、新源动力公司和上海新科同力公司等。熊济时等^[9]通过改变流道深度、宽度等结构尺寸研究其对传质性能的影响；杨洋^[10]探讨了数种流道结构参数对高温PEM 燃料电池性能的影响；赵胜男^[11]研究了流道深度从2mm到0.9mm渐变(即入口深度为2mm,出口深度0.9mm)的电池性能明显优于其他深度的电池性能,且此种流道结构对电池内水含量管理较好。

质子交换膜燃料电池耐久性和成本是其商业化过程中面临着两大核心问题。燃料电池的寿命测试具有消耗时间长，物资投入大等特点，这些因素导致使得燃料电池耐久性研究工作发展缓慢^[12]。王志昌等^[13]比较了变载循环法和循环伏安法两种测试方法对PEMFC膜电极耐久性的影响；黄彦维等^[14]研究目前国内外几种主要的车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况及评价方法；Chen, B等^[15-17]使用不同的电解质研究了阴极处的气体吹扫对死端质子交换膜燃料电池（PEMFC）的降解特性的影响。周伟等^[18]研究交换膜、电极、催化剂和气体扩散层等关键部件在上述影响因素下的退化机理和改进措施；梁高新等^[19]研究质子交换膜燃料电池的耐久性,并对其衰退机理进行分析；王玲丽等^[20]着重研究Nafion电解质的耐久性；李猷民等^[21]得出选择经济适用的双极板材料、适合的催化剂和改善先进的制备工艺,同时提高燃料的安全性与实用性,能有效提高电池的寿命。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：