不同阴极流场空冷质子交换膜燃料电池的数值分析

上海交通大学机械工程系邱殿凯教授等人于2020年3月公开发表论文“Numerical analysis of air-cooled proton exchange membrane fuel cells with various cathode flow channels”。这篇论文提出了一种考虑电化学影响的三维风冷燃料电池模型，以研究阴极通道结构对质子交换膜燃料电池的影响，并对模型进行了实验验证，证明了空冷型质子交换膜燃料电池阴极采用不同的流场会对燃料电池内部相对湿度和传质的分布造成显著影响。

图1为本文提出的一种三维风冷燃料电池模型，其中图1（a）为典型的多个单电池组成的风冷燃料电池堆，以提供足够的电压和输出功率。图1(b)为单片燃料电池结构，其中阳极通入氢气的流场采用了10条通道，而阴极通入空气的流场采用了30条通道。图1(c)为单片燃料电池阴极流场的一个通道，因此可以很清楚的知道本论文风冷燃料电池模型阴阳极流场的结构以及整个燃料电池堆的结构。

图2为本次试验采用的实验设备，其中主要包括整套实验设备的电源、为燃料电池提供风冷的风扇、控制风扇功率的电子控制器、燃料电池堆和一个伏安表。

文章通过试验和模拟仿真得出的数据，做出燃料电池的极化曲线来验证模拟仿真的正确性。图3为模拟仿真数据和试验数据做出的两条极化曲线对比图，从图片中可以看出模拟仿真的极化曲线和试验数据的极化曲线基本一致，从而验证了模拟仿真的正确性。

作者通过改变阴极流场通道肋的宽度和通道的宽度的比（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)来研究阴极流场结构对燃料电池的影响。试验结果如图4所示，从图4（a）可以看出随着肋的宽度的增加，即通道宽度的减小，通道内相对湿度不断增加，这是因为随着肋的宽度增加，通道的宽度减小，导致通道内压力过高，排水阻力不断增强。从图4（b）可以看出随着肋的宽度的增加，即通道宽度的减小，通道内的氧气摩尔含量不断减少，这是因为随水的堆积，导致通道内的氧气传递受阻，因而氧气的摩尔含量降低。从图4（c）可以得到沿着阴极通道长度的方向相对湿度不断增大，这是因为随着反应的进行，反应产生的水不断沿着通道堆积。从图4（d）得出随着肋的宽度和通道的宽度的比例增加，通道内的平均相对湿度不断增加而氧气摩尔含量却不断减少的结论。