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学术简报|质子交换膜燃料电池挡板布置的数值分析与实验研究 ...

观察汽车(稿源) 2022-4-9 10:16 No.1123

本期CEVE规程内容:天津大学国家工程重点实验室秦彦周教授等人于2020年3月公开发表论文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on proton exchange membrane fuel cell performance”。这篇论文提出了在质子交换膜燃料电池进气流场内加入梯形挡板的想法,通过三维数值模拟与试验验证,证明了在质子交换膜燃料电池进气流场内加入梯形挡板可以改善反应物在多孔介质层中分布不均的情况,并且这种结构还可以有效的去除电池中因电化学反应累积产生的水。最终验证了反应物分布和水管理对于质子交换膜燃料电池的性能至关重要的观点。


图1为本文提出的加入挡板的单通道燃料电池三维模型,其中图1(a)为在阴极氧气进气流场中加入梯形挡板的三维结构图。图1(b)为在阴极氧气进气流场中加入的4组梯形挡板的两种布置形式,其中一种为平行对称放置,另外一种为交错放置。图1(c)为燃料电池的截面图。通过图1可以清楚的知道本论文燃料电池模型的内部结构。

图1.单通道燃料电池结构图:(a)燃料电池内部结构(b)阴极流场挡板位置(c)电极横截面


为了探究本文提出的想法,本文制作了三种阴极流场结构的石墨极板进行试验验证,其中分别为未添加挡板的普通平行流场、添加平行对称挡板的流场和添加交错挡板的流场。

图2.质子交换膜燃料电池阴极流场结构图:(a)未添加挡板的普通平行流场 (b)添加平行对称挡板的流场 (c)添加交错挡板


在其他条件不变的情况下,通过对这三种石墨极板进行试验,然后把三组实验数据拿来对比分析。图3为三种流场的燃料电池的极化曲线,当电池运行温度和进气温度为750C,进气湿度为100%时,我们通过图3可以看到放置挡板的两种流场结构的输出功率要高于未放置挡板的普通流场结构,其中交错放置挡板的结构输出功率最高,这也证明了在阴极流场中放置挡板可以有效提高燃料电池输出功率。

图3.三种流场结构的极化曲线


然后作者针对这两种挡板不同放置的流场结构进行了更为深入的分析,图4为当电池电压为0.6V时,气体扩散层与催化层交界界面中的氧气浓度值。从图中可以看出随着流场进气方向,挡板交错放置的氧气含量曲线下降速率比挡板平行对称放置的慢,说明了挡板交错放置的电池反应物分布更均匀,不会造成局部反应过剧烈,导致部分区域反应物不足、电池内部温差过大等问题。

图4.在不同流场电池电压为0.6V时,GDL/CL界面中的O2浓度:(a)O2浓度采样线示意图(b)通道内不同区域的O2


图5为当电池电压为0.6V时,气体扩散层与催化层交界界面中水的体积分数值。从图中可以看出挡板交错放置结构流场内含水量要低于挡板平行对称放置的结构,证明了挡板交错放置的结构比平行放置的结构除水性更强,可以有效去除流场内多余的水,可以防止电池发生水淹现象。

图5.在不同流场电池电压为0.6V时,GDL/CL界面中的水的体积分数


最终得出结论,本文提出的阴极流场放置挡板可以更好地引导反应气体在多孔电极中的对流流动,其中挡板交错放置这种结构综合性能最佳,具有最大的输出功率、最均匀的反应物分布以及最好的排水性能。证明了阴极流场中挡板的加入可以有效的提高质子交换膜燃料电池的性能。


(本文引自天津大学国家工程重点实验室秦彦周教授公开发表论文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on proton exchange membrane fuel cell performance”)


原文参考:


https://sci-hub.tw/10.1016/j.jpowsour.2020.228034


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