上海交通大學(xué)機(jī)械工程系邱殿凱教授等人于2020年3月公開發(fā)表論文“Numerical analysis of air-cooled proton exchange membrane fuel cells with various cathode flow channels”。這篇論文提出了一種考慮電化學(xué)影響的三維風(fēng)冷燃料電池電池模型，以研究陰極通道結(jié)構(gòu)對質(zhì)子交換膜燃料電池的影響，并對模型進(jìn)行了實驗驗證，證明了空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池陰極采用不同的流場會對燃料電池內(nèi)部相對濕度和傳質(zhì)的分布造成顯著影響。

圖1為本文提出的一種三維風(fēng)冷燃料電池模型，其中圖1（a）為典型的多個單電池組成的風(fēng)冷燃料電池堆，以提供足夠的電壓和輸出功率。圖1(b)為單片燃料電池結(jié)構(gòu)，其中陽極通入氫氣的流場采用了10條通道，而陰極通入空氣的流場采用了30條通道。圖1(c)為單片燃料電池陰極流場的一個通道，因此可以很清楚的知道本論文風(fēng)冷燃料電池模型陰陽極流場的結(jié)構(gòu)以及整個燃料電池堆的結(jié)構(gòu)。

圖2為本次試驗采用的實驗設(shè)備，其中主要包括整套實驗設(shè)備的電源、為燃料電池提供風(fēng)冷的風(fēng)扇、控制風(fēng)扇功率的電子控制器、燃料電池堆和一個伏安表。

文章通過試驗和模擬仿真得出的數(shù)據(jù)，做出燃料電池的極化曲線來驗證模擬仿真的正確性。圖3為模擬仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)做出的兩條極化曲線對比圖，從圖片中可以看出模擬仿真的極化曲線和試驗數(shù)據(jù)的極化曲線基本一致，從而驗證了模擬仿真的正確性。

作者通過改變陰極流場通道肋的寬度和通道的寬度的比（0.6-1.8, 0.9-1.5, 1.2-1.2, 1.5-0.9, 1.8-0.6, 2.1-0.3和2.2-0.2mm)來研究陰極流場結(jié)構(gòu)對燃料電池的影響。試驗結(jié)果如圖4所示，從圖4（a）可以看出隨著肋的寬度的增加，即通道寬度的減小，通道內(nèi)相對濕度不斷增加，這是因為隨著肋的寬度增加，通道的寬度減小，導(dǎo)致通道內(nèi)壓力過高，排水阻力不斷增強(qiáng)。從圖4（b）可以看出隨著肋的寬度的增加，即通道寬度的減小，通道內(nèi)的氧氣摩爾含量不斷減少，這是因為隨水的堆積，導(dǎo)致通道內(nèi)的氧氣傳遞受阻，因而氧氣的摩爾含量降低。從圖4（c）可以得到沿著陰極通道長度的方向相對濕度不斷增大，這是因為隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的水不斷沿著通道堆積。從圖4（d）得出隨著肋的寬度和通道的寬度的比例增加，通道內(nèi)的平均相對濕度不斷增加而氧氣摩爾含量卻不斷減少的結(jié)論。

最終得出結(jié)論當(dāng)陰極流場通道肋的寬度和通道的寬度之比小于3時，能夠很好的增強(qiáng)電池性能，同時隨著比值的增加，燃料電池性能不斷下降。本研究有助于提高我們對空冷燃料電池電池性能與陰極通道設(shè)計之間關(guān)系的認(rèn)識，為后續(xù)開發(fā)更高效的燃料電池流場結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

(本文引自上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室邱殿凱教授公開發(fā)表論文“Numerical analysis of air-cooled proton exchange membrane fuel cells with various cathode flow channels”)

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