进口-出口配置对质子交换膜燃料电池（PEMFC）冷却通道的影响：一种增强热传递和热管理的策略

《Renewable Energy》：Inlet–Outlet Configuration Effects on PEMFC Cooling Channels: A Strategy for Enhanced Heat Transfer and Thermal Management

　　

摘要

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）运行过程中，热量积聚和温度不均匀性会对其性能、耐用性和系统稳定性产生不利影响。传统的单入口-单出口冷却通道往往存在冷却剂分布不均、压力降高以及热量移除不足的问题。双入口-双出口配置可以改善流体分布、降低流动阻力并增强热传递，为可再生氢能源系统的热管理提供了一种有前景的策略。本研究通过评估压力降、膜电极组件温度、热源特性和极化损失，系统地比较了六种双入口-双出口冷却通道设计。结果表明，双入口-双出口通道的性能在很大程度上取决于具体的入口-出口拓扑结构。在所研究的配置中，U-I型通道表现出最佳的整体性能，其温度均匀性指数（IUT）为1.67，膜电极组件平均温度为354.61 K，冷却能力（Qcool）为26.13 W，在规定的入口条件下比N型单入口-单出口基准配置提高了76.5%。在0.5 V电压下，U-I型通道的电流密度达到1.251 A·cm^-2，比N型基准配置高出7.2%，峰值功率密度为0.758 W·cm^-2。这些结果证明了双入口-双出口冷却通道在改善PEMFC热管理和支持高效利用可再生氢能源方面的有效性。

引言

随着全球能源转型的加速和实现碳中和的迫切需求，开发高效、清洁的能源转换技术变得越来越重要 [1]、[2]。氢能源以其零碳排放和高能量密度而成为深度脱碳的关键推动力 [3]、[4]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率、快速启动能力、零污染物排放和低噪音而被视为有前途的发电技术 [5]、[6]。然而，热管理仍然是限制其性能、耐用性和大规模商业化的重大挑战。

在运行过程中，PEMFC的能源转换效率通常在40%-60%之间，这意味着大量的化学能以热量的形式释放 [7]、[8]。在高功率密度条件下，如果热量移除不足，会导致膜电极组件（MEA）内部温度升高和热分布不均匀，从而影响电化学性能 [9]、[10]。局部过热可能导致膜脱水、增加欧姆损耗并加速材料降解，最终降低长期可靠性 [10]。

冷却通道的设计通常通过双极板的优化来实现，在PEMFC热管理中起着关键作用 [11]。Peng等人 [12] 提出了一种带有凹坑的流场结构以增强热传递性能。Liu等人 [13] 报告称，减少通道数量有利于热管理和水分管理。Huang等人 [14] 进一步开发了一种星形流引导结构，通过涡流诱导传输来增强热传导。然而，这些研究主要集中在传统的单入口-单出口冷却通道上。

相比之下，双入口-双出口概念在PEMFC反应物流场中受到了越来越多的关注，因为它们能够改善流体分布和质量传输。Wang等人 [15] 证明多个子入口可以增强氧气传输、膜水合和电流密度均匀性，同时保持低压力降。Zhang等人 [16] 提出了一种双面通道结构，缩短了扩散路径并提高了氧气浓度和电流密度。Zhou等人 [17] 通过实验确认双入口-双出口配置能够改善氧气分布均匀性和流动稳定性。Wang等人 [18] 进一步优化了子通道结构，并实现了最大功率密度的显著提升。这些发现表明双入口-双出口策略在改善冷却剂分布和热传递性能方面的潜力。然而，对双入口-双出口冷却通道的系统研究仍然较少，其背后的热传递机制尚未完全阐明。

为了解决这一研究缺口，本研究提出了一种新型的双入口-双出口冷却通道设计，用于PEMFC的热管理。系统地比较了四种传统的单入口-单出口通道和六种双入口-双出口通道在压力降、温度分布、热量移除能力、热源特性和电化学性能方面的表现。目的是确定最佳的双入口-双出口配置，并为先进的PEMFC热管理设计提供指导。此外，改进热管理性能对于提高PEMFC在可再生氢能源系统中的效率和运行可靠性至关重要，特别是在与可再生能源发电相关的动态功率需求下。

章节摘录

控制方程

PEMFC中的电化学反应过程通过一组质量、动量、物种和能量的耦合方程以及基于Butler-Volmer的动力学关系来建模。控制方程和相应的源项公式见补充材料S1（控制方程和源项公式）[19]、[20]。源项的详细定义见表1 [21]。

假设

为了简化PEMFC的建模和分析，

基本冷却通道性能分析

在PEMFC运行过程中，电化学反应和电阻过程在MEA内部产生热量。图6展示了MEA的温度分布。高温区域主要位于侧边缘和接近出口的位置，而中心区域的温度相对较低。在四种通道中，图6(a)所示的Z型通道表现出相对均匀的温度分布，尽管略不如N型通道平衡。

结论

开发了一个三维多相PEMFC模型，系统地评估了六种双入口-双出口冷却通道配置的热管理性能。系统地评估了入口-出口布局对冷却剂流动行为、压力降、热量移除能力、膜电极组件温度均匀性、膜水合和电化学性能的影响。

发现双入口-双出口策略的效果在很大程度上取决于

CRediT作者贡献声明

Taiming Huang: 撰写——原始草稿、可视化、监督、软件、方法论、数据整理、概念设计。 Peng Zhang: 撰写——原始草稿、资源获取、调查。 Changjie Ou: 可视化、验证、方法论、概念设计。 Siew Hwa Chan: 资源获取、概念设计。 Zhengkai Tu: 验证、软件、调查。 Wei Zeng: 撰写——审稿与编辑、验证、概念设计。 Huilin Chen: 调查。 Yufan Xiao: 软件、调查。 Zhongmin

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4003801）、国家自然科学基金（项目编号：52276184）和湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ70294）的支持。