PEM燃料電池凸臺(tái)流道性能三維仿真分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

摘 要：在氫能技術(shù)快速發(fā)展的背景下，作為關(guān)鍵應(yīng)用之一的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的流道設(shè)計(jì)受到重點(diǎn)研究。該研究通過構(gòu)建基于實(shí)際尺寸的PEMFC全尺寸單流道模型，并在模型中嵌入不同形狀的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，使用Comsol仿真分析探究凸臺(tái)幾何參數(shù)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明：凸臺(tái)結(jié)構(gòu)能顯著提升功率輸出，電流密度增幅達(dá)到10%至31.25%，功率提高3%至9.2%；氣體流速與功率輸出與凸臺(tái)高度呈正相關(guān)，0.2 mm高的矩形凸臺(tái)性能最佳，顯示適宜的凸臺(tái)高度能有效提升PEMFC效率；通過增強(qiáng)傳質(zhì)效果、優(yōu)化工質(zhì)在燃料電池內(nèi)部的分布，尤其改善流道后半段的水淹，凸臺(tái)的設(shè)置可進(jìn)一步增強(qiáng)電池功率。與凸臺(tái)長度相比，凸臺(tái)高度是主要的優(yōu)化方向。該研究為全尺寸的PEMFC流道優(yōu)化提供了理論上的支持，對(duì)提高氫能源效率具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；流道設(shè)計(jì)；凸臺(tái)結(jié)構(gòu)；全尺寸建模；Comsol仿真

中圖分類號(hào)： TM 911.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.04.011

Performance analysis and structural parameter optimization of"baffe channel in PEM fuel cell based on 3D model

ZHANG Luo1， PU Dongyi1， HU Song*1，2"， FAN Zhijun3， CHEN Dongfang1， XU Xiaoming1

（1. School of mechanical engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China;

2. Shunde Innovation School， University of Science and Technology Beijing， Foshan 528000， China;

3. School of Electrical and Automation Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： Against the backdrop of rapid advancements in hydrogen energy technology， the fow channel design of proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs）， as a key application， has been subjected to intensive study. This research developed a full-scale， single fow channel model of a PEMFC based on actual dimensions and incorporated baffe structures of varying shapes within the model to investigate， through simulation analysis， the impact of the geometric parameters of these baffes on cell performance. The results show that the presence of baffe structures signifcantly enhances power output， with increases in current density ranging from 10% to 31.25% and power boosts between 3% and 9.2%. Notably， a positive correlation exists between gas fow velocity and power output with the height of the baffes， with the performance of rectangular baffes at a height"of 0.2 mm being optimal. This demonstrates that an appropriate baffe height can effectively improve PEMFC effciency by enhancing mass transfer effects and optimizing the distribution of the working medium within the fuel cell， ameliorating water fooding in the latter half of the fow channel caused by water accumulation， thereby further augmenting cell power. Compared to the length of baffes， their height emerges as the primary direction for optimization. The study provides theoretical support for the optimization of full-scale PEMFC fow channels and offers guidance for enhancing the effciency of hydrogen energy utilization.

Key words： p roton exchange membrane fuel cell （PEMFC）; fow channel design; baffe structure; full-size"modeling; comsol simulation

隨著全球?qū)沙掷m(xù)性和生態(tài)平衡的關(guān)切不斷增加，氫能作為一種清潔能源備受關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)的化石燃料，氫能具有更高的能量密度和零排放的環(huán)保特性，因此在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）由于其高效且清潔的運(yùn)行特性，引起了產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛興趣。PEMFC可以直接利用氫氣和氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，將其化學(xué)能量有效轉(zhuǎn)化為電能[1]。流場板是PEMFC的重要組成部分，其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)不僅決定了反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和傳質(zhì)效率，還涉及生成水的排放機(jī)制，以及電化學(xué)反應(yīng)引起的熱量傳輸和分布。燃料電池的整體性能與這些參數(shù)密切相關(guān)，特別是與反應(yīng)物傳遞和熱管理的效率。因此，流場板流道結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)和持續(xù)優(yōu)化被認(rèn)為是提高PEMFC性能的關(guān)鍵策略之一。

近幾年，眾多研究者深入探討了燃料電池流道的設(shè)計(jì)對(duì)其性能的影響。例如，HU Hao等[2-3]通過高精度仿真技術(shù)，探索了波浪流場板在質(zhì)子交換膜燃料電池中的水分布，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整波浪的振幅和布局可以有效地調(diào)節(jié)陰極的水分布，從而避免質(zhì)子交換膜的過度干燥或水淹狀態(tài)。Z. M. Chowdhury等[4]提出了一種創(chuàng)新的PEM單流道蛇形流場板收斂發(fā)散設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)其波流場板可以增加反應(yīng)氣體在多孔層中的擴(kuò)散并提高對(duì)流傳熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度分布和輸出電流提升。另一方面，JANG Jerhua等[5]證實(shí)，添加擋板可以顯著改善反應(yīng)氣體的局部輸運(yùn)和局部電流密度，從而提高電池性能；但在高濕度條件下，隨著極限電流密度的增加，質(zhì)量傳遞損失將會(huì)受到影響。M. Asadzade等[6]則設(shè)計(jì)出一種肺葉型仿生流場板，并發(fā)現(xiàn)它在壓力損失和兩相分布方面都表現(xiàn)出優(yōu)越性能，但是其制造成本相對(duì)較高。

E. Mancusi等[7]通過使用流體體積法（volume of fluid，VOF），研究了錐形流道對(duì)燃料電池氣液兩相流的影響，結(jié)果顯示該流道設(shè)計(jì)能夠有效地助于燃料電池中的水分排出。LI Shian等[8]則采用了金屬泡沫作為流量分配器，明顯改善了燃料電池流道的性能，并且相較于傳統(tǒng)的石墨和金屬雙極板，其流道溫度和電流密度分布更為均勻。H. Heidary等[9-10]構(gòu)建了一種三維數(shù)值模型，用于研究凸臺(tái)數(shù)量和高度以及陽極/陰極側(cè)流道堵塞對(duì)燃料電池性能的影響， 發(fā)現(xiàn)全堵塞流道在凈電功率方面優(yōu)于部分堵塞設(shè)計(jì)；與無凸臺(tái)配置相比，凸臺(tái)流道燃料電池的最大凈功率提高了11%，同時(shí)氣體壓降得到了降低。J. N. Cooper等[11]研究了不同縱橫比的交叉指型流場的性能，揭示了高縱橫比流場中的水分含量顯著高于低縱橫比設(shè)計(jì)，并且凈功率密度會(huì)隨縱橫比的減少而增加。

帶有擋板的流動(dòng)通道已被證明可以增強(qiáng)反應(yīng)物的運(yùn)輸并提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能[12]。近期的流場板研究深入探討了凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)局部傳質(zhì)和提高反應(yīng)速率的潛在影響。有研究提出使用多孔材料作為流道擋板來提高燃料電池的性能，并取得了積極的成果[13]。LI Hongwei等[14]對(duì)4種不同的流場板凸臺(tái)配置進(jìn)行了實(shí)證研究，揭示其對(duì)燃料電池性能的顯著提升。W. S. Perng等[15]通過在陽極和陰極雙極板流道底部引入不同數(shù)量的擋板，證實(shí)了擋板的加入能夠減少燃料電池的阻抗并提升其凈功率。YIN Yan等[16-17]基于三維PEMFC模型開展的數(shù)值分析表明，傾斜擋板在45°時(shí)對(duì)質(zhì)量傳遞和燃料電池性能具有最佳效益。此外，WANG Yulin等發(fā)現(xiàn)[18]，與矩形折流板相比，采用新型折流板布置的陰極流場設(shè)計(jì)具有更低的壓力損失。總之，在流道中使用擋板對(duì)燃料電池的性能有積極的影響。

近年來對(duì)凸臺(tái)式流場板的研究逐漸增加，但關(guān)于全尺寸流道的仿真分析工作仍顯不足，大量研究停留在理論建模與局部尺寸仿真分析階段，僅有少部分采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。針對(duì)此現(xiàn)狀，本研究立足于燃料電池乘用車電堆實(shí)際應(yīng)用的流道尺寸及材料參數(shù)，采用對(duì)比分析方法剖析不同凸臺(tái)結(jié)構(gòu)下燃料電池極化曲線、功率譜及內(nèi)部物質(zhì)分布，詳細(xì)解析金屬與石墨材料雙極板上便于加工的梯形與矩形凸臺(tái)不同尺寸配置對(duì)燃料電池性能的具體影響以及性能提升的內(nèi)在機(jī)理；研究矩形與梯形凸臺(tái)對(duì)燃料電池性能及內(nèi)部傳質(zhì)過程的作用，確立最優(yōu)的凸臺(tái)形狀及關(guān)鍵幾何參數(shù)的優(yōu)化策略。

1 仿真模型建立

1.1 幾何模型

燃料電池的組成涉及多個(gè)核心部件，包括端板集電器、流道、氣體擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜。在工作過程中，陽極通入氫氣，而陰極通入氧氣。在催化層的催化作用下，氫氣分解成質(zhì)子并透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧氣反應(yīng)生成水，之后該水通過流道被排出。

為了進(jìn)一步提升燃料電池的性能，流道內(nèi)部特別設(shè)計(jì)了用于增強(qiáng)氣體流動(dòng)擾動(dòng)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。圖1展示了本研究采用的幾何模型設(shè)計(jì)。

圖1c展示了2種在燃料電池的石墨和金屬極板上最為常見且加工方便的凸臺(tái)形狀：矩形和梯形。仿真模型中根據(jù)豐田Mirai2陽極流道的凸臺(tái)尺寸與布局比例，均勻地配置了6個(gè)凸臺(tái)，以模擬實(shí)際應(yīng)用場景。本研究對(duì)每種凸臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)編號(hào)，其中不含凸臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)直流道被標(biāo)記為STCH；矩形凸臺(tái)分別以REC1、REC2、REC3編號(hào)，其高度均為0.15 mm，長度分別為0.2、0.5、0.8 mm；而梯形凸臺(tái)則以TRA1、TRA2、TRA3進(jìn)行標(biāo)記，其底邊長度分別為0.2、0.8 mm，高度依次為0.15、0.20、0.25 mm。值得注意的是，REC2與TRA1的凸臺(tái)面積相同，以便于對(duì)比分析不同形狀凸臺(tái)對(duì)燃料電池性能的影響。模型的其他相關(guān)參數(shù)則詳列于表1中，均為實(shí)際燃料電池電堆零部件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 控制方程

在本模型中，燃料電池被模擬為一個(gè)包含反應(yīng)氣體和電極的系統(tǒng)，它是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，其內(nèi)部的物理過程，包括質(zhì)量傳遞、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，都是由一系列守恒方程所控制。這些守恒方程反映了電池內(nèi)部物理量的守恒關(guān)系，具體包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、物種守恒方程。同時(shí)，由于電解過程復(fù)雜，為了簡化控制方程，縮短計(jì)算時(shí)間，考慮以下假設(shè)：1） 認(rèn)為流動(dòng)是在穩(wěn)態(tài)條件并且處于層流；2） 多孔區(qū)域被認(rèn)為是均勻的和各向同性的；3） 忽略了接觸電阻引起的電壓損失；4） 不考慮內(nèi)部工質(zhì)滲透和泄漏。

基于上述假設(shè)，具體包括如下方程。

連續(xù)方程：

（ρμ） = Q.m

其中： ρ為密度； μ為粘度； Qm為質(zhì)量源項(xiàng)。

流體動(dòng)量守恒方程：

其中： I為單位向量；重力和其他體積力的影響可以用源項(xiàng)S來表示。u為出入口邊界條件體積流量，出口壓力p = 0，假設(shè)模型無滑移，ε為孔隙率，K為滲透率，t為時(shí)間。

物質(zhì)傳遞方程：

在單相模型中，反應(yīng)物的傳輸受擴(kuò)散和對(duì)流的綜合影響。對(duì)于PEMFC的各個(gè)組成部分，如流道、擴(kuò)散層和催化劑層，使用Maxwell-Stefan擴(kuò)散模型。

其中：i、j指i物質(zhì)與j物質(zhì)；Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)；ρ為反應(yīng)物的氣體混合密度；w為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ri為i物質(zhì)的反應(yīng)源；M為平均mole質(zhì)量；p為壓強(qiáng)；x為物質(zhì)的mole分?jǐn)?shù)。

p x·ii iM

ρ = ， （4）

通過計(jì)算速度、壓力梯度、溫度梯度和化學(xué)轉(zhuǎn)變引起的物質(zhì)質(zhì)量變化率r，計(jì)算出每一種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wj，隨后得到濃度梯度作為二次電流分布的物質(zhì)分布輸入。

二次電流分布：

通過Bulter-Volmer方程關(guān)聯(lián)電流分布與電解質(zhì)成分變化， 陰極電流密度ic和過電位η可表示為：

其中：a、c、φs、φl 分別代表陽極、陰極、電極電勢(shì)、電解液電勢(shì)； i0， c為陰極交換電流密度； Co2、Cref分別代表氧氣濃度與氧氣理論消耗濃度； n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)； Ci為物質(zhì)i的摩爾濃度； Eeq 為理論電勢(shì)； F表示法拉第常數(shù)； R為通用氣體常數(shù)； α為活性面積。

陽極反應(yīng)區(qū)域由于反應(yīng)迅速，過電位較小，因此陽極反應(yīng)可用濃度相關(guān)的Bulter-Volumer表示為

其中： CH2

陰極側(cè)氧氣反應(yīng)速度較慢，過電位相比于陽極較高，因此Tafel動(dòng)力學(xué)方程為

其中： Icell表示電解槽中的電流； λ表示過量系數(shù)； N代表摩爾流量。

在PEMFC中，水的產(chǎn)生與氧氣、氫氣的消耗與電流大小成正比：

1.3 邊界條件

本研究采用Comsol軟件建立了三維穩(wěn)態(tài)恒壓燃料電池模型，模型與外界沒有發(fā)生物質(zhì)與能量的交換；燃料電池流道內(nèi)的氣體為層流，同時(shí)認(rèn)為是不可壓縮流；燃料電池中的材料認(rèn)為是均勻的各向同性。同時(shí)燃料電池的工作電壓為0.7 V，對(duì)模型陰陽極均采用速度入口，出口采用壓力出口。模型操作條件如表2所示，均為燃料電池電堆的實(shí)際工作狀態(tài)的操作條件。

2 分析與討論

2.1 極化曲線和功率

從圖2中的極化曲線和功率譜，可以觀察到在燃料電池中引入凸臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的顯著提升。不同凸臺(tái)在0.7 V的工作電壓下電流密度從直流道的0.8 A/cm2提升到了0.88～1.05 A/cm2，電流密度提升達(dá)到10%～31.25%，如局部放大圖所示。

在低電流密度下，主要性能限制因素是Ohm電阻和活化阻抗，流道所能提升的傳值過程并不是主導(dǎo)，因此各種梯形凸臺(tái)的極化曲線和功率譜表現(xiàn)出相似的特征，也就是說在這個(gè)范圍內(nèi)，凸臺(tái)對(duì)性能的提升左右并未顯現(xiàn)。功率譜在這個(gè)電流范圍內(nèi)，主要呈線性增加趨勢(shì)，凸臺(tái)流道與傳統(tǒng)直流道相比功率差異也未體現(xiàn)。

然而，隨著電流密度的增加，氧氣的消耗量增加，濃差極化效應(yīng)變得更加顯著，能夠增強(qiáng)物質(zhì)傳輸?shù)耐古_(tái)結(jié)構(gòu)使得PEMEC開始在極化曲線和功率譜中顯示出明顯差異。在功率譜圖中，1 A/cm2的電流密度下，凸臺(tái)的加入使得功率從0.66 W提升到0.68～0.7 W，提升達(dá)到3%～6%，同時(shí)該數(shù)值隨著電流密度的提升進(jìn)一步提升，最高在2 A/cm2時(shí)達(dá)到3.5%～9.2%。

在不同凸臺(tái)寬度之間進(jìn)行比較時(shí)，電流密度主要在較高電流密度下變得明顯。功率差距有所增大，但仍不明顯，其中最寬的凸臺(tái)TRA3具有最高的功率1.17 W，而最窄的凸臺(tái)REC1的功率最低，為1.16 W。

總的來說，隨著凸臺(tái)的高度增加，擾流效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而導(dǎo)致性能的進(jìn)一步改善，但增加的幅度均不大。截面積最小，僅為0.3 mm2的REC1對(duì)比截面積最大，為1.25 mm的TRA3，面積提升了317.7%，但功率最大僅提升了5.5%。這表明在優(yōu)化燃料電池設(shè)計(jì)時(shí)，凸臺(tái)的幾何參數(shù)應(yīng)著重設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)用盡可能小的凸臺(tái)截面積帶來更大性能提升，并且其高度對(duì)其影響較為關(guān)鍵。

2.2 膜表面電流密度分布

圖3為0.7 V工作電壓下的膜表面電流密度分布圖，可以明顯看出，在不同凸臺(tái)結(jié)構(gòu)下，膜表面電流密度相對(duì)于無凸臺(tái)的傳統(tǒng)直流道有所提高；此增加隨著凸臺(tái)的高度和寬度的增加而進(jìn)一步顯著，即凸臺(tái)的截面積增大，膜表面電流密度也相應(yīng)增加。

凸臺(tái)的引入導(dǎo)致流道前半段出現(xiàn)了一個(gè)較大范圍的高電流密度區(qū)域，隨著凸臺(tái)寬度和高度的增加，這一高電流密度區(qū)域的電流密度增加越加明顯，使得膜表面電流密度差值從STCH的小于0.01 A/cm2最大提升到了TRA的將近0.3 A/cm2，提升幅度巨大。這表明在這種布局下，凸臺(tái)的引入增加了膜表面電流密度的不均勻性，但在相鄰2個(gè)凸臺(tái)之間的電流密度分布較為均勻，基本均小于0.02 A/cm2。這也意味著凸臺(tái)的布局需要進(jìn)一步優(yōu)化，以減輕其引入的電流密度不均勻性。同時(shí)，比較了具有相同截面積但不同形狀的凸臺(tái)，如REC2和TRA1，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)電流密度分布的影響基本一致。因此，可以得出凸臺(tái)的形狀對(duì)電流密度的影響似乎較小。

總的來說，研究結(jié)果表明凸臺(tái)的高度是電流密度的敏感因素，而凸臺(tái)的寬度也具有一定影響，但凸臺(tái)的形狀對(duì)電流密度的影響相對(duì)較小，不應(yīng)成為主要的優(yōu)化方向。同時(shí)，凸臺(tái)的布局需要經(jīng)過優(yōu)化，以減少其引入的電流密度不均勻性，以提高燃料電池性能。

2.3 流動(dòng)速度

為了更好地分析凸臺(tái)對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)影響，選擇的第1個(gè)凸臺(tái)處速度（v）分布進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖中可以觀察到氣體流速與凸臺(tái)的寬度，尤其是其高度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)凸臺(tái)的表面積增大時(shí)，可流通的截面積相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致氧氣流速的增加。根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，相同高度矩形凸臺(tái)的氧氣最大流速基本相似，僅隨長度的增加稍有增加。此外在REC3的情況下，氧氣在高流速區(qū)域的停留時(shí)間較長，這更加有利于Venturi效應(yīng)引起的質(zhì)量傳輸。

在不同凸臺(tái)高度的TRA梯形流道中，凸臺(tái)高度的增加加劇了其對(duì)氧氣流動(dòng)的阻礙。同時(shí)最高流速與凸臺(tái)的高度呈線性關(guān)系，凸臺(tái)高度從0.15 mm增加至0.25 mm時(shí)，局部最高流動(dòng)速度從110 m/s等比例提升至350 m/s，而其與凸臺(tái)的長度無關(guān)，REC系列均為110 m/s。最高的梯形凸臺(tái)TRA3的最高流速達(dá)到了350 m/s，而沒有凸臺(tái)的傳統(tǒng)直流道STCH的最高流速僅為90 m/s。因此，增加梯形凸臺(tái)的高度可顯著提高氧氣的流速，這也有利于加強(qiáng)Venturi效應(yīng)從而加速質(zhì)量傳輸，但也要注意其對(duì)于壓力的影響。

同時(shí)對(duì)比面積相同且較小的矩形凸臺(tái)REC2與梯形凸臺(tái)TRA1可以發(fā)現(xiàn)，較低的梯形呈現(xiàn)更好的流線型，流體依舊貼著凸臺(tái)的斜邊呈現(xiàn)均勻的層流流動(dòng)，但二者對(duì)流道內(nèi)速度的大小和分布的區(qū)別仍不明顯。

這些結(jié)果表明，與沒有凸臺(tái)的STCH相比，通過設(shè)置和調(diào)整凸臺(tái)的參數(shù)，可以有效地通過改變流道內(nèi)的局部流速進(jìn)而改善氧氣傳輸。隨著凸臺(tái)高度或?qū)挾鹊脑黾樱古_(tái)的截面積也增大，從而增加了局部的流動(dòng)速度，氧氣在垂直方向上的速度分量也因?yàn)楦鼜?qiáng)的擾流效果進(jìn)一步增大，這有助于增加局部緊縮處的Venturi效應(yīng)，增強(qiáng)水的排出并加速氧氣進(jìn)入擴(kuò)散層，增強(qiáng)電池的傳質(zhì)。但同時(shí)過高的凸臺(tái)顯著地阻礙了局部的流動(dòng)，會(huì)顯著增加燃料電池堆的寄生功率。

2.4 水濃度分布

凸臺(tái)引起的流動(dòng)狀態(tài)變化對(duì)燃料電池最直接且有效的影響便是優(yōu)化其內(nèi)部水管理，因此需要進(jìn)一步分析燃料電池陰極流道及擴(kuò)散層內(nèi)的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（H2O）分布，結(jié)果如圖5所示。可以明顯觀察到，在沒有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的情況下，普通直流道的陰極側(cè)水含量較高，甚至在出口處出現(xiàn)大規(guī)模的水淤積，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.36，這會(huì)導(dǎo)致水淹現(xiàn)象易發(fā)生。水淹會(huì)阻塞氣體擴(kuò)散層，影響氫氣和氧氣到達(dá)反應(yīng)區(qū)的能力，同時(shí)增加電池內(nèi)部的電阻，從而降低反應(yīng)效率和電池輸出功率；并且長期的水淹可能導(dǎo)致電池組件，如膜電極組件和氣體擴(kuò)散層的物理損害，進(jìn)而縮短燃料電池的壽命，因此需要極大程度地避免這種現(xiàn)象。

然而，一旦引入凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，不論凸臺(tái)的形狀如何，陰極側(cè)的水淤積現(xiàn)象都明顯改善，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值下降到僅有0.32。這種改善現(xiàn)象與速度分布相結(jié)合，充分表明凸臺(tái)的擾流作用對(duì)傳質(zhì)過程起到了積極的作用。具體來說，流道內(nèi)氣體流經(jīng)凸臺(tái)造成的突然變窄的截面，流動(dòng)速度加快，靜壓減小，產(chǎn)生的Venturi現(xiàn)象帶走了擴(kuò)散層內(nèi)聚集的液態(tài)水。

當(dāng)增加矩形凸臺(tái)的長度時(shí)，流道內(nèi)的水分布發(fā)生細(xì)微變化，增加矩形凸臺(tái)的寬度并不能明顯改變流道內(nèi)的水分布情況。梯形凸臺(tái)的水分布如圖所示，當(dāng)增加梯形凸臺(tái)的高度時(shí)，水濃度有著明顯的下降。凸臺(tái)高度從0.15增加至0.2，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.32下降到0.29，下降9.4%；高度從0.2增加至0.25，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.29下降至0.28，下降了3.4%。由此可見越高的凸臺(tái)對(duì)水的去除效果越好，但是收益會(huì)隨著凸臺(tái)的增高逐漸減小。

這可能是由于流道變得更窄，氧氣的流動(dòng)速度增加，凸臺(tái)處產(chǎn)生了強(qiáng)烈的傳質(zhì)效應(yīng)，因此水能更快地排出流道，不再出現(xiàn)大規(guī)模淤積的情況。但過高的凸臺(tái)產(chǎn)生了邊界效應(yīng)，無法更充分地發(fā)揮效果。

然而，對(duì)比相同高度下的矩形流道和梯形流道，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間的流道內(nèi)水分布沒有明顯變化，而且當(dāng)增加凸臺(tái)寬度時(shí)，水分布也沒有受到顯著影響。因此，可以得出結(jié)論，流道內(nèi)的凸臺(tái)高度對(duì)水分布影響較大，而改變凸臺(tái)的形狀和寬度對(duì)水分布的影響較小。

3 結(jié) 論

本研究聚焦于燃料電池流道性能改善，根據(jù)真實(shí)的燃料電池極板尺寸設(shè)計(jì)了2種不同形狀的擾流塊，構(gòu)建PEMFC全尺寸單流道模型，并在模型中嵌入不同形狀的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，使用Comsol仿真分析探究凸臺(tái)幾何參數(shù)對(duì)電池性能的影響。通過比較直流道與不同寬度的矩形凸臺(tái)以及不同高度的梯形流道，深入探討了它們對(duì)燃料電池性能的影響，得到如下結(jié)論：

1） 引入凸臺(tái)結(jié)構(gòu)明顯改善了燃料電池性能，使得工作電壓下電流密度提升10%～31.25%，功率提升3%～9.2%，并改善了水的分布，明顯減小了流道后半段水淹發(fā)生的概率；并且隨著凸臺(tái)高度的增加，這種改善效果更加顯著，但凸臺(tái)長度的增加并沒有明顯地改善其效果。

2） 在截面積相同的情況下，矩形和梯形對(duì)凸臺(tái)的性能和燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)的影響沒有明顯區(qū)別，除了梯形凸臺(tái)能夠使氣體更平穩(wěn)地流過流道，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫牧骶€型。這表明凸臺(tái)的形狀并不是主要的優(yōu)化方向。

3） 通過比較不同寬度和高度的凸臺(tái)，發(fā)現(xiàn)凸臺(tái)的高度是影響傳質(zhì)最重要的參數(shù)，同時(shí)最優(yōu)的凸臺(tái)高度是0.2 mm。更高的凸臺(tái)能夠顯著提升性能和傳質(zhì)效果，而增加凸臺(tái)的寬度僅略微增強(qiáng)效果。然而，更高和截面積更大的凸臺(tái)也會(huì)顯著增加對(duì)流動(dòng)的阻礙，過高凸臺(tái)可能會(huì)導(dǎo)致電流密度的不均勻性增加，膜表面的電流密度差會(huì)從小于0.01 A/cm2提升到約0.30 A/cm2。

綜上，這些發(fā)現(xiàn)可為燃料電池設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供有價(jià)值的指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的加入對(duì)燃料電池優(yōu)化的有效性，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了綜合考慮凸臺(tái)設(shè)計(jì)的多個(gè)方面（如： 高度，分布等）對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。因此，未來的研究應(yīng)更深入地探討最佳凸臺(tái)參數(shù)的選擇以及流道布局的優(yōu)化，以進(jìn)一步提高燃料電池的性能。

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