阴极通道中 recess 结构配置对质子交换膜燃料电池性能的影响

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Effect of Recess Configuration in the Cathode Channel on PEM Fuel Cell Performance

质子交换膜燃料电池直通道阴极采用不同凹槽结构提升性能，通过调整凹槽长度、宽度和几何形状，系统研究其对温度、传质及功率密度的影响。实验表明凹槽设计使电流和功率密度提升约30%，其中倒梯形凹槽输出功率达1.03 W，而三角形凹槽因分布不均功率最低0.9 W。该设计在保持直通道优势的同时显著提升燃料电池效率。

　　

摘要

具有直通道的质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池）在反应物分布方面面临挑战，这是由于反应物传输受限所致。为了解决这一问题，本文提出了一种采用不同类型凹槽的直通道PEM燃料电池阴极通道的新设计，并研究了其对温度、反应物传输、电流和功率密度的影响。首先，分析了不同凹槽长度和宽度下的电流和功率密度，以确定其最佳参数。随后首次引入了四种不同的凹槽设计：三角形凹槽、梯形凹槽、矩形凹槽和反向梯形凹槽。这些新模型与基准模型进行了比较，两者在阳极和阴极侧都使用了相同的活性反应面积和入口质量流量。结果表明，与基准模型相比，引入凹槽设计后电流和功率密度提高了约30%。在新引入的模型中，反向梯形凹槽设计的输出功率最高，为1.03瓦，这是由于其较大的凹槽壁角导致流动阻力增加所致。相反，三角形凹槽设计的输出功率最低，仅为0.9瓦，并且反应物分布的均匀性较差。这些发现凸显了凹槽通道在保持直通道设计优势的同时提高工业PEM燃料电池效率的潜力。

具有直通道的质子交换膜燃料电池在反应物分布方面面临挑战，这是由于反应物传输受限所致。为了解决这一问题，本文提出了一种采用不同类型凹槽的直通道PEM燃料电池阴极通道的新设计，并研究了其对温度、反应物传输、电流和功率密度的影响。首先，分析了不同凹槽长度和宽度下的电流和功率密度，以确定其最佳参数。随后首次引入了四种不同的凹槽设计：三角形凹槽、梯形凹槽、矩形凹槽和反向梯形凹槽。这些新模型与基准模型进行了比较，两者在阳极和阴极侧都使用了相同的活性反应面积和入口质量流量。结果表明，引入凹槽设计后电流和功率密度提高了约30%。在新引入的模型中，反向梯形凹槽设计的输出功率最高，为1.03瓦，这是由于其较大的凹槽壁角导致流动阻力增加所致。相反，三角形凹槽设计的输出功率最低，仅为0.9瓦，并且反应物分布的均匀性较差。这些发现凸显了凹槽通道在保持直通道设计优势的同时提高工业PEM燃料电池效率的潜力。