PEMFC金属泡沫流场全形态三维性能模拟及结构优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.07.005

摘要/Abstract

摘要：

流场设计是质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cells，PEMFC）性能提升的关键，高孔隙率的金属泡沫材料被提出可作为PEMFC的备选流场。本文进行金属泡沫完整形状的形态重建，建立了以10 PPI、20 PPI、40 PPI、100 PPI 4种金属泡沫为阴极流场的PEMFC模型，并与常规平行和蛇形流场进行比较，发现金属泡沫流场能有效改善流道内反应气体及产物的输运与分布，强化电化学反应过程，且金属泡沫材料的PPI值越大，输出性能越好。此外，研究了不同气体扩散层孔隙率对含金属泡沫流场的PEMFC的影响，研究发现，孔隙率范围在0.4-0.6之间较为适宜。本研究还提出了一种基于伞形结构的宽韧带40 PPI金属泡沫结构改进方法，PEMFC的输出性能得到进一步提高。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 全形态重建, 流场, 金属泡沫, 结构改进

Abstract:

Flow field design is the key to improve the performance of proton exchange membrane fuel cells （PEMFC）. High-porosity metal foam materials have been suggested as substitute flow fields for PEMFC. In this paper， the entire morphology of the metal foam is reconstructed. A PEMFC model with four different metal foams （10 PPI， 20 PPI， 40 PPI， and 100 PPI） as the cathode flow field is established， which is compared with traditional parallel and serpentine flow fields. It is found that the metal foam flow field can strongly enhance the electrochemical reaction process by efficiently improving the transportation and distribution of reactive gases and products in the flow channel， and the larger the PPI value of metal foam material， the better the output performance. In addition， after examining the impact of various gas diffusion layer porosities on the PEMFC with metal foam flow field， it is determined that a porosity range of 0.4–0.6 is appropriate. A wide-ligament 40 PPI metal foam structural enhancement approach based on an umbrella is suggested in this study， and the output performance of PEMFC is further enhanced.

Key words: proton exchange membrane fuel cell, morphology reconstruction, flow field, metal foam, structural enhancement

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图/表 13

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参考文献 28

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PPI	10	20	40	100
孔径/mm	2.54	1.27	0.64	0.254
韧带直径/mm	0.152 4	0.076 2	0.038 4	0.015 24
边长/mm	1.015 09	0.507 54	0.253 8	0.101 51

参数	数值
MEA长度/mm	8
MEA宽度/mm	3.2
BP高度/mm	0.55
BP宽度/mm	3
直通道高度/mm	0.4
直通道宽度/mm	0.5
肋宽度/mm	0.5
GDL厚度/mm	0.12
CL厚度/mm	0.01
PEM厚度/mm	2.5×10^-2
GDL孔隙度	0.4
CL孔隙度	0.4
GDL渗透率/m²	1.18×10^-11
气体扩散层电导率/（S·m^-1）	222
质子交换膜电导率/（S·m^-1）	9.825
加湿温度/K	301.15
阳极化学计量比	1.5
阴极化学计量比	2.2
参考压力/Pa	1.01×10⁵
开路电压/V	1
工作温度/K	353.15
阳极参考交换电流密度/（A·m^-2）	1×10²
阴极参考交换电流密度/（A·m^-2）	1×10^-2
入口水的摩尔分数	0.037 32
入口氢的摩尔分数	0.962 68
入口氧的摩尔分数	0.202 16
氢气质量流率/（kg·s^-1）	3.9798×10^-9
氮气质量流率/（kg·s^-1）	1.5371×10^-7
氧气质量流率/（kg·s^-1）	4.67011×10^-8
阳极总质量流率/（kg·s^-1）	5.3684×10^-9
阴极总质量流率/（kg·s^-1）	2.0526×10^-7

网格数量	电流密度/（A·m^-2）	相对误差/%
95 839	7 960.7
115 048	8 100.3	1.75
132 756	7 911.8	2.33
243 321	7 775.9	1.72
624 242	7 641.6	1.73
2 339 461	7 610.0	0.41