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金字塔状挡板影响PEMFC性能研究

王耀琛 任洪娟

王耀琛, 任洪娟. 金字塔状挡板影响PEMFC性能研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(1): 30-37. doi: 10.12299/jsues.22-0241
引用本文: 王耀琛, 任洪娟. 金字塔状挡板影响PEMFC性能研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(1): 30-37. doi: 10.12299/jsues.22-0241
WANG Yaochen, REN Hongjuan. Study on influence of pyramid baffle on PEMFC performance[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(1): 30-37. doi: 10.12299/jsues.22-0241
Citation: WANG Yaochen, REN Hongjuan. Study on influence of pyramid baffle on PEMFC performance[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(1): 30-37. doi: 10.12299/jsues.22-0241

金字塔状挡板影响PEMFC性能研究

doi: 10.12299/jsues.22-0241
详细信息
    作者简介:

    王耀琛(1998−),男,硕士生,研究方向为氢燃料电池热管理。E-mail:wangyaochen963@126.com

    通讯作者:

    任洪娟(1978−),女,副教授,博士,研究方向为汽车动力系统设计与节能减排。E-mail:ren-hongjuan@163.com

  • 中图分类号: TM911.4

Study on influence of pyramid baffle on PEMFC performance

  • 摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道结构主要影响气体流动、扩散和电化学反应。通过建立金字塔状流道挡板的PEMFC三维模型并进行数值模拟,探讨不同金字塔状挡板比率和挡板数量对燃料电池传质特性和输出性能的影响。结果表明:在流道内增添金字塔状挡板与无挡板流道相比,最大可提高气体垂直速度分量93.7%,进而提升气体由流道向催化层的传输性能;在金字塔状挡板比率为0.25,挡板数量为1时,燃料电池净功率最高可达到0.107 W。此外,增大挡板比率和增多挡板数量均可持续提高传质性能,但流道压降同时也会有最大18.5%的上升,使得PEMFC输出性能下降。
  • 图  1  PEMFC几何模型

    Figure  1.  PEMFC geometric model

    图  2  金字塔状挡板示意图

    Figure  2.  Diagram of pyramid baffle

    图  3  网格无关性验证

    Figure  3.  Grid independence verification

    图  4  仿真与试验极化曲线对比

    Figure  4.  Comparison of polarization curves between simulation and experiment

    图  5  不同比率金字塔状挡板阴极流道内氧气流速对比

    Figure  5.  Comparison of oxygen flow rate in cathode channel of pyramid baffle with different ratios

    图  6  不同比率金字塔状挡板阴极流道压力分布

    Figure  6.  Pressure distribution in cathode channel of pyramid baffle with different ratios

    图  7  无挡板和不同比率挡板PEMFC工作性能曲线

    Figure  7.  Performance curves of PEMFC without baffle and with different curvature baffles

    图  8  电压为0.4 V时无挡板和不同比率挡板的PEMFC电流密度、压降和净功率对比

    Figure  8.  Comparison of current density, voltage drop and net power of PEMFC without baffle and with different curvature baffles at 0.4 V

    图  9  沿气流方向气体扩散层和催化层交界面氧气物质的量分数对比

    Figure  9.  Comparison of oxygen mole fraction at the interface of gas diffusion layer and catalytic layer along gas flow direction

    图  10  不同挡板数量的PEMFC工作性能曲线

    Figure  10.  Performance curve of PEMFC with different number of baffles

    图  11  电压为0.4 V时不同挡板数量的PEMFC电流密度、压降和净功率对比

    Figure  11.  Comparison of current density, voltage drop and net power of PEMFC with different number of baffles at 0.4 V

    表  1  PEMFC及挡板几何模型参数

    Table  1.   PEMFC and baffle geometric model parameters

    参数数值 / mm
    PEMFC长度20
    FC宽度0.79
    FC高度1
    GDL宽度1.7
    GDL高度0.38
    CL宽度1.7
    CL高度0.05
    PEM宽度1.7
    PEM高度0.1
    Wt0.79
    H0.5
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    表  2  PEMFC模型边界条件

    Table  2.   Boundary conditions of PEMFC model

    参数数值
    工作温度 / K343.15
    参考压力1标准大气压
    阳极参考电流密度 / (A•cm−2)100
    阴极参考电流密度 / (A•cm−2)0.001
    活性比表面积 / m−11 × 107
    GDL孔隙率0.4
    GDL渗透率 / m21.18 × 10−11
    GDL电导率 / (S•m−1)220
    CL孔隙率0.3
    CL渗透率 / m22.36 × 10−12
    CL电导率 / (S•m−1)220
    PEM孔隙率0.3
    PEM电导率 / (S•m−1)9.825
    入口水的物质的量分数0.037
    入口氧气的物质的量分数0.202
    入口氢气的物质的量分数0.963
    氧气入口速度 / (m•s−1)0.4
    氢气入口速度 / (m•s−1)0.1
    下载: 导出CSV
  • [1] STEMPIEN J P, CHAN S H. Comparative study of fuel cell, battery and hybrid buses for renewable energy constrained areas[J] . Journal of Power Sources,2017,340:347 − 355. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.089
    [2] 刘祥荣, 蒋宇, 张雪霞, 等. 质子交换膜燃料电池三维数值仿真研究综述[J] . 中国电机工程学报,2021,41(21):7352 − 7370.
    [3] 王珂, 张拴羊, 徐洪涛, 等. 基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究[J] . 太阳能学报,2022,43(6):454 − 459. doi: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0571
    [4] 刘英杰, 陈奔. 质子交换膜燃料电池流场强化传质研究进展[J] . 汽车工程,2021,43(6):799 − 807.
    [5] PERNG S W, WU H W, CHEN Y B, et al. Performance enhancement of a high temperature proton exchange membrane fuel cell by bottomed-baffles in bipolar-plate channels[J] . Applied Energy,2019,255:113815.
    [6] PERNG S W, WU H W. A three-dimensional numerical investigation of trapezoid baffles effect on non-isothermal reactant transport and cell net power in a PEMFC[J] . Applied Energy,2015,143:81 − 95. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.12.059
    [7] CHEN H, GUO H, YE F, et al. A numerical study of baffle height and location effects on mass transfer of proton exchange membrane fuel cells with orientated-type flow channels[J] . International Journal of Hydrogen Energy,2021,46(10):7528 − 7545. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.226
    [8] WANG X, QIN Y, WU S, et al. Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on proton exchange membrane fuel cell performance[J] . Journal of Power Sources,2020,457:228034. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228034
    [9] LI H W, LIU J N, YANG Y, et al. Research on mass transport characteristics and net power performance under different flow channel streamlined imitated water-drop block arrangements for proton exchange membrane fuel cell[J] . Energy,2022,251:123983. doi: 10.1016/j.energy.2022.123983
    [10] CHEN H, GUO H, YE F, et al. An experimental study of cell performance and pressure drop of proton exchange membrane fuel cells with baffled flow channels[J] . Journal of Power Sources,2020,472:228456. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228456
    [11] YIN Y, WU S, QIN Y, et al. Quantitative analysis of trapezoid baffle block sloping angles on oxygen transport and performance of proton exchange membrane fuel cell[J] . Applied Energy,2020,271:115257. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115257
    [12] 卫超强. 不同参数对质子交换膜燃料电池输出特性的影响[D]. 太原: 太原理工大学, 2021.
    [13] 喻强, 汪宏斌, 陈卓, 等. 相对湿度对PEMFC膜电极影响的数值模拟[J] . 太阳能学报,2021,42(12):343 − 348. doi: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-1429
    [14] 陆佳斌, 申欣明, 陈明, 等. 阴极湿度与电流密度对PEMFC性能的协同影响[J] . 电源技术,2021,45(8):1018 − 1022. doi: 10.3969/j.issn.1002-087X.2021.08.016
    [15] SEZGIN B, CAGLAYAN D G, DEVRIM Y, et al. Modeling and sensitivity analysis of high temperature PEM fuel cells by using Comsol Multiphysics[J] . International journal of hydrogen energy,2016,41(23):10001 − 10009. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.03.142
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  • 收稿日期:  2022-08-06
  • 刊出日期:  2024-03-30

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