基于仿生气动翼型挡板的燃料电池流场创新设计及其性能提升研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Advanced flow field design for fuel cells based on aerodynamic profile baffle structures

本文提出一种基于仿生气动翼型挡板的燃料电池流场创新设计，通过降低流阻和改善气体分布均匀性，显著提升了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的输出性能（最大功率密度提升最高达8.02%）和运行稳定性，尤其在高湿度条件下优势明显，为大面积、高性能燃料电池系统的流场优化提供了新思路。

　　

Highlight

基本尺寸

燃料电池单元的基本结构包括两侧的双极板，以及位于它们之间的气体扩散层（GDL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PEM）。数百个这样的独立单元堆叠在一起形成一个燃料电池堆。在本研究中，开发了双极板流场内仿生翼型挡板结构的仿真模型，其有效面积为97 × 210 mm²。双极板的基本尺寸详见（此处省略具体尺寸数据）。

结果与讨论

模型建立并验证后，将本研究提出的仿生翼型挡板流场结构引入直通道流场模型，并与三角形和梯形挡板流场进行比较。在不同电流密度运行条件下，对各实验组的性能差异进行了比较和验证。

新型双极板试制与测试

为了进一步验证本研究中新型仿生翼型双极板的实际有效性，进行了该双极板的实际试制和测试，并根据仿真模型进行了等比例生产和工装准备。双极板的传统石墨材料、膜电极材料以及实验验证的运行条件均与表2保持一致。实验测试系统如图所示（此处省略图示描述）。

结论

本文提出了一种新型的燃料电池流道仿生翼型流场。与传统的贯通流道燃料电池相比，其氧气分布均匀性得到明显改善，在模拟条件下，功率密度比传统贯通流道燃料电池高7.37%。这一改进主要得益于气体在气动翼型挡板表面的流动更为平顺，减少了无序流动和流动分离，从而进一步提升了性能。