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流道结构对燃料电池阴极氧气分布的影响

摘要：合适的流场能提高燃料电池性能以及燃料的利用率。通过模

拟研究Z型流场的不同入口分配槽与出口汇流槽的宽度，分析阴极的氧

气浓度分布。结果表明，在进气流量不变的情况下，增加出口汇流槽宽

度，有利于阴极的氧气浓度的提高，并且分布更均匀；增加入口分配槽

宽度，氧气分布更不均匀；采用分配槽斜入口以及合适的流道分布，有

利于阴极氧气浓度的均匀分布与提高。

质子交换膜燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的发

电装置。因其能量转换效率高、环境友好、可快速启动等特点，受到

[1]

了世界各国的广泛关注。流道的设计对燃料电池的燃料分布有着重要

[2]

的影响，合适的流道在提高燃料电池性能的同时能降低电池的水淹情

况，提高燃料的利用率。

[3]

谭雅巍等人实验研究了流道结构与几何尺寸对燃料电池性能的

[4]

影响，发现增加流道深度以及增加流道数，可以提高燃料电池的性能。

刘志祥等人研究了燃料电池流场设计中常见的流场形式，模拟结果与

[5]

测试结果得到的电池性能变化趋势基本一致，其性能由高到低依次为：

渐缩流场、平行蛇形流场、网格流场。徐云飞等人设计了一种流道渐

[6]

1

扩型流场，并对其进行实验研究，结果表明在100%加湿的情况下，电

池的性能最好。JunyeWang基于质量和动量守恒理论，研究流场中

[7]

各流道的流量分配与压降，优化了Z型结构流场。许多研究人员通过研

究流道宽与脊宽之间的关系，分析燃料电池的性能变化[8-9]。结果表明，

在高电流密度工况下，这两个参数对燃料电池的影响更显著。

Roshandel等人研究了平行流场、蛇形流场以及仿生形流场，结果

[10]

表明，仿生形流场在燃料分布均匀性上明显优于平行流场和蛇形流场，

性能高于平行流场和蛇形流场的56%和26%。目前，对燃料电池流场

的研究已经不少，本文通过数值计算的方式，主要研究Z型流道的入口

分配槽以及出口汇流槽的结构尺寸对燃料电池阴极氧气分布的影响。计

算值与实验数据的对比如图1所示，实验数据来自文献[11]。

1模型描述

1.1几何模型

2

入口分配槽与出口汇流槽的正下方没有发生电化学反应，整个反应

发生在2cm×2cm的催化层上。气体扩散层厚度为300μm，催化层厚

度为10μm，膜厚为50μm，流道宽度为1mm，流道深度为1mm，

脊宽为0.8mm，流道数为11。其流道模型二维剖分图如图2所示。abcd

为电化学反应区域，aefb为入口分配槽，cdgh为出口汇流槽，箭头表

示流道的方向。

1.2数学模型假设

燃料电池模型是基于COMSOL软件建立的三维稳态等温模型。假

设电化学反应生成的水以水蒸气的形式存在；流道内的气体视为理想气

体，并在流道内层流动；气体扩散层、催化层以及膜各向同性；燃料(空

气和氢气)不能透过膜。

1.3数学模型方程

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1.4边界条件和模型参数

在数值模拟中，阴/阳极的入口和出口，膜与催化层的界面采用第

一类边界条件。固体壁面为无滑移边界条件。表1为计算过程中所用到

的材料参数以及燃料电池的操作参数。

在计算过程中，通过改变入口分配槽和出口汇流槽的结构尺寸，研