本期CEVE規(guī)程內(nèi)容：天津大學(xué)國家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦彥周教授等人于2020年3月公開發(fā)表論文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on  proton exchange membrane fuel cell performance”。這篇論文提出了在質(zhì)子交換膜燃料電池電池進(jìn)氣流場內(nèi)加入梯形擋板的想法，通過三維數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了在質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)氣流場內(nèi)加入梯形擋板可以改善反應(yīng)物在多孔介質(zhì)層中分布不均的情況，并且這種結(jié)構(gòu)還可以有效的去除電池中因電化學(xué)反應(yīng)累積產(chǎn)生的水。最終驗(yàn)證了反應(yīng)物分布和水管理對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的性能至關(guān)重要的觀點(diǎn)。

圖1為本文提出的加入擋板的單通道燃料電池三維模型，其中圖1（a）為在陰極氧氣進(jìn)氣流場中加入梯形擋板的三維結(jié)構(gòu)圖。圖1（b）為在陰極氧氣進(jìn)氣流場中加入的4組梯形擋板的兩種布置形式，其中一種為平行對(duì)稱放置，另外一種為交錯(cuò)放置。圖1（c）為燃料電池的截面圖。通過圖1可以清楚的知道本論文燃料電池模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1.單通道燃料電池結(jié)構(gòu)圖：(a)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)(b)陰極流場擋板位置(c)電極橫截面

為了探究本文提出的想法，本文制作了三種陰極流場結(jié)構(gòu)的石墨極板進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中分別為未添加擋板的普通平行流場、添加平行對(duì)稱擋板的流場和添加交錯(cuò)擋板的流場，如圖2所示。

圖2.質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流場結(jié)構(gòu)圖：(a)未添加擋板的普通平行流場 (b)添加平行對(duì)稱擋板的流場 (c)添加交錯(cuò)擋板的流場

在其他條件不變的情況下，通過對(duì)這三種石墨極板進(jìn)行試驗(yàn)，然后把三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拿來對(duì)比分析。圖3為三種流場的燃料電池的極化曲線，當(dāng)電池運(yùn)行溫度和進(jìn)氣溫度為750C，進(jìn)氣濕度為100%時(shí)，我們通過圖3可以看到放置擋板的兩種流場結(jié)構(gòu)的輸出功率要高于未放置擋板的普通流場結(jié)構(gòu)，其中交錯(cuò)放置擋板的結(jié)構(gòu)輸出功率最高，這也證明了在陰極流場中放置擋板可以有效提高燃料電池輸出功率。

圖3.三種流場結(jié)構(gòu)的極化曲線

然后作者針對(duì)這兩種擋板不同放置的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深入的分析，圖4為當(dāng)電池電壓為0.6V時(shí)，氣體擴(kuò)散層與催化層交界界面中的氧氣濃度值。從圖中可以看出隨著流場進(jìn)氣方向，擋板交錯(cuò)放置的氧氣含量曲線下降速率比擋板平行對(duì)稱放置的慢，說明了擋板交錯(cuò)放置的電池反應(yīng)物分布更均勻，不會(huì)造成局部反應(yīng)過劇烈，導(dǎo)致部分區(qū)域反應(yīng)物不足、電池內(nèi)部溫差過大等問題。

圖4.在不同流場電池電壓為0.6V時(shí)，GDL/CL界面中的O₂濃度：（a）O₂濃度采樣線示意圖（b）通道內(nèi)不同區(qū)域的O₂濃度（c）通道內(nèi)對(duì)稱線上的O₂濃度

圖5為當(dāng)電池電壓為0.6V時(shí)，氣體擴(kuò)散層與催化層交界界面中水的體積分?jǐn)?shù)值。從圖中可以看出擋板交錯(cuò)放置結(jié)構(gòu)流場內(nèi)含水量要低于擋板平行對(duì)稱放置的結(jié)構(gòu)，證明了擋板交錯(cuò)放置的結(jié)構(gòu)比平行放置的結(jié)構(gòu)除水性更強(qiáng)，可以有效去除流場內(nèi)多余的水，可以防止電池發(fā)生水淹現(xiàn)象。

圖5.在不同流場電池電壓為0.6V時(shí)，GDL/CL界面中的水的體積分?jǐn)?shù)

最終得出結(jié)論，本文提出的陰極流場放置擋板可以更好地引導(dǎo)反應(yīng)氣體在多孔電極中的對(duì)流流動(dòng)，其中擋板交錯(cuò)放置這種結(jié)構(gòu)綜合性能最佳，具有最大的輸出功率、最均勻的反應(yīng)物分布以及最好的排水性能。證明了陰極流場中擋板的加入可以有效的提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。

(本文引自天津大學(xué)國家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦彥周教授公開發(fā)表論文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on proton exchange membrane fuel cell performance”)

原文參考：

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

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