王 娜，张 文，王宇新

（天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津化工协同创新中心，天津膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072）

燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置，除了能量转化效率高以外，还具有能量转化过程较清洁、热效率高、应用范围广等优点。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）作为燃料电池的一种，除了具有各种燃料电池的共同优点外，还具有功率密度高、工作温度低、启动快、可靠性强等独特优势，因此在电动汽车和便携电器设备等方面具有广阔的应用前景。

PEMFC的核心部件——膜电极组件 MEA（Membrane Electrode Assembly）——是由质子交换膜、阳极与阴极催化层和气体扩散层叠压在一起构成。催化层作为电化学反应发生的场所，是膜电极的关键组成部分。电极催化层由三相构成，分别是传导质子的离子聚合物相、传导电子的Pt/C催化剂相和传递气体的孔相。电化学反应只能发生在电子、质子与气体通路的交汇区域（三相区），因此催化层的各相组成及其中各成分的传输对电极反应有极大影响。了解催化层结构与其中物质传递和电化学反应的关系对于提高PEMFC的性能至关重要。目前的实验分析表征方法对研究催化层中的构效关系有很大局限性，而计算机数学模拟为此提供了重要的研究手段。

催化层的结构参数对其性能有很大影响，因此许多国内外的科学家对此进行了研究。目前，用于研究催化层参数影响的模型主要有界面模型[1-3]、宏观均相模型[4-10]、团聚体模型[11-16]以及近年发展起来的孔网络模型[17-19]和微观格点模型[20-25]等。……