本研究构建了一种半经验模型，用于分析和预测质子交换膜燃料电池性能。该模型结合了理论与实验数据，旨在优化燃料电池的设计与运行效率。
### 质子交换膜燃料电池半经验模型
#### 摘要及背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效、清洁的能源转换装置，在近年来受到了广泛的关注。其工作原理是通过氢气与氧气（或空气中的氧气）在电化学环境下发生反应，从而产生电能。这一过程几乎不产生有害排放物，主要产物为水，因此被认为是一种理想的绿色能源解决方案。为了更好地理解和优化PEMFC的性能，需要建立精确的模型来模拟其行为。
#### 半经验模型介绍
在PEMFC建模过程中的一种重要方法是构建半经验模型。这类模型结合了理论分析和实验数据，在一定程度上能够预测电池的行为，并且避免了完全机理模型所需的复杂计算资源。本段落中提到的模型重点在于综合开路电压（OCV）以及各种极化现象（包括活化极化、欧姆极化及浓差极化）的计算。
#### 开路电压（OCV）
燃料电池的开路电压可以通过能斯特方程进行计算，该方程描述了电池电压与参与反应物质浓度之间的关系。在PEMFC的情况下，开路电压取决于氢气和氧气的压力，并且会随温度变化而有所不同。文章中的公式详细说明了温度对开路电压的影响。
#### 极化现象分析
##### 活化极化
活化极化是由于电化学反应速率限制导致的电压降，Tafel方程是描述这一过程的重要工具，在文中通过考虑反应速率和电流密度等因素来计算活化极化的值。
##### 欧姆极化
欧姆极化是指离子和电子传输过程中电阻引起能量损失。随着电流密度增加，这种现象所占比例会逐渐增大，与离子传导路径中的电阻变化有关。
##### 浓差极化
浓差极化是由于反应物在电极表面分布不均导致的电压降。文章提出了一种新的方法来计算这一影响，即根据实际空气过量系数修正阴极扩散层孔隙率。这种方法能够更准确地反映浓度差异对电池性能的影响，并且随着电流密度增加而增大。
#### 实验验证
为了证明模型的有效性，研究人员进行了PEMFC的极化曲线试验，结果显示实验结果与计算预测高度一致，进一步证实了该模型的准确性。
#### 结论
通过综合考虑开路电压和各种类型的极化现象建立起来的半经验模型能够有效预测在不同电流密度下PEMFC的行为。特别是对于浓差极化的计算方法，通过对阴极扩散层孔隙率进行修正显著提高了模型精度。此外，该研究还探讨了水管理对欧姆极化的影响，尽管其影响较小但仍然具有一定的参考价值。因此，这一模型为PEMFC的设计和优化提供了有力工具，并有助于推动相关技术的发展与应用。
5星
