海豚状肋片仿生流场的PEMFC性能研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.10.011

摘要/Abstract

摘要：

为了提升质子交换膜燃料电池（PEMFC）的输出性能及水热管理能力，本文受海豚减阻外形的启发，设计了一种海豚状肋片仿生流场（DSB-FF），通过Fluent对非等温的三维仿生流场模型进行模拟分析。结果表明，DSB-FF与三角形肋片流场（TB-FF）的极化曲线几乎一致。尽管TB-FF的峰值功率密度比平行流场（PFF）和DSB-FF高2.06%和0.61%，但其27.978 Pa的高压降导致净输出功率降低至0.720 W。而DSB-FF凭借更优的减阻设计实现了0.986 W的最高净输出功率，有效平衡了功率密度与压降，并在大部分区域保持了较高的氧气摩尔浓度。此外，与PFF相比，DSB-FF能够加速流道内反应气体的速度，将排水时间缩短了约5 ms，并且接触角递减型流道以11 ms的最短时间表现出比均值型流道和递增型流道更优秀的排水能力。最后，配备冷却流道的DSB-FF能够有效减少高温区域，展现出优于PFF的热管理能力。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 仿生流场, 输出性能, 水热管理

Abstract:

In order to improve the output performance and water and thermal management capabilities of proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs）， inspired by the drag-reducing shape of dolphins， a dolphin-shaped blockage flow field （DSB-FF） is designed in this paper. A non-isothermal three-dimensional model of the biomimetic flow field is developed and analyzed using Fluent. The simulation results show that the polarization curves of DSB-FF are almost identical to those of the triangular blockage flow field （TB-FF）. Although the peak power density of TB-FF is 2.06% and 0.61% higher than that of the parallel flow field （PFF） and DSB-FF， respectively， its high pressure drop of 27.978 Pa reduces the net output power to 0.720 W. In contrast， DSB-FF， with its superior drag-reducing design， achieves the highest net output power of 0.986 W， effectively balancing power density and pressure drop while maintaining a higher oxygen molar concentration across most regions. Additionally， compared to PFF， DSB-FF accelerates the flow velocity of reactive gases within the flow channels， reducing the drainage time by approximately 5 ms. Among the flow fields， the decreasing contact angle flow field demonstrates the best drainage performance with the shortest drainage time of 11 ms， outperforming the mean and increasing contact angle flow fields. Finally， the DSB-FF equipped with cooling channels effectively reduces the high-temperature regions， exhibiting superior thermal management capabilities compared to PFF.

Key words: proton exchange membrane fuel cell, biomimetic flow field, output performance, water and thermal management

张拴羊,徐洪涛,张国宾,陈晓平,袁泉,陈冠一. 海豚状肋片仿生流场的PEMFC性能研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(10): 1953-1962.

Shuanyang Zhang,Hongtao Xu,Guobin Zhang,Xiaoping Chen,Quan Yuan,Guanyi Chen. Investigation on the Performance of PEMFC with Dolphin-Inspired Biomimetic Flow Field[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(10): 1953-1962.

图/表 21

图1

图2

表1

表2

PEMFC模型控制方程及源项［12-13］"

控制方程	表达式	源项
连续性方程	$? ? ε ρ u ? = S c$	$其余区域 : S c = 0 阴极 C L : S c = S H 2 O + S O 2 = M H 2 O 2 F R c a t - M O 2 4 F R c a t 阳极 C L : S c = - M H 2 2 F R a n$
能量方程	$? ? ε ρ c p u ? = ? ? k e f f ? T + S e$	$S e = I 2 R o h m + β S H 2 O h r e a c t + r w h l g + R a n, c a η a n, c a$
动量方程	$? ? ε ρ u ? u ? = - ε ? p + ? ? ε μ ? u ? + S m$	$流道 : S m = 0 多孔区域 : S m = - μ K p u ?$
电荷守恒方程	$? ? σ s ? ? s + R s = 0 ? ? σ m ? ? m + R m = 0$	$阴极 : R s = R c a t; R m = - R c a t 阳极 : R s = - R a n; R m = R a n$
组分守恒方程	$? ? ε ρ u ? C k = ? ? D E_e f f ? C k + S s$	$其余区域 : S s = 0 阴极 C L : S O 2 = - M O 2 4 F R c a t; S H 2 O = M H 2 O 2 F R c a t 阳极 C L : S H 2 = - M H 2 2 F R a n$
液态水方程	$? ? ε ρ l u l ? s = S l$	$S l = r w$

表2

表3

VOF模型控制方程［14］"

控制方程	表达式
连续性方程	$? ρ ? t + ? ? ρ u ? = 0 ρ = α a i r ρ a i r + α l i q u i d ρ l i q u i d α a i r + α l i q u i d = 1$
体积分数方程	$? α l i q u i d ? t + u ? ? ? α l i q u i d = 0$
动量方程	$? ρ u ? ? t + ? ? ρ u ? u ? = - ? p + ? ? μ ? u ? + ? u ? T + ρ g + F s$
	$F s = 2 σ a i r / l i q u i d ρ k ? α a i r ρ a i r + ρ l i q u i d$
	$k = ? ? n ? = ? ? n ? w c o s ? θ + t ? w s i n ? θ$
	$μ = α a i r μ a i r + α l i q u i d μ l i q u i d$

表3

图3

图4

图5

图6

图7

表4

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

参考文献 15

[1]	ZHANG G， QU Z， TAO W， et al. Advancing next-generation proton-exchange membrane fuel cell development in multi-physics transfer［J］. Joule， 2024，8（1）：45-63.
[2]	JIAO K， XUAN J， DU Q， et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells［J］. Nature， 2021，595（7867）：361-369.
[3]	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.
[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）：799-807，814.
	LIU Y J， CHEN B. Research progress in mass transfer enhancement of flow field in proton exchange membrane fuel cell［J］. Automotive Engineering， 2021，43（6）：799-807，814.
[5]	ZHANG S， QU Z， XU H， et al. A numerical study on the performance of PEMFC with wedge-shaped fins in the cathode channel［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2021，46（54）：27700-27708.
[6]	陈吉清，曾常菁，周云郊，等.质子交换膜燃料电池五边形挡板流场结构优化与性能改进［J］.汽车工程，2023，45（10）：1862-1875.
	CHEN J Q， ZENG C Q， ZHOU Y J， et al. Flow field structure optimization and performance improvement with pentagon baffle for proton exchange membrane fuel cell［J］. Automotive Engineering， 2023，45（10）：1862-1875.
[7]	HEIDARY H， KERMANI M J， DABIR B. Influences of bipolar plate channel blockages on PEM fuel cell performances［J］. Energy Conversion and Management， 2016，124：51-60.
[8]	RAHMANI E， MORADI T， GHANDEHARIUN S， et al. Enhanced mass transfer and water discharge in a proton exchange membrane fuel cell with a raccoon channel flow field［J］. Energy， 2023，264：126115.
[9]	PERNG S， WU H， CHEN Y， 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.
[10]	LI Z， XIA D， ZHOU X， et al. The hydrodynamics of self-rolling locomotion driven by the flexible pectoral fins of 3-D bionic dolphin［J］. Journal of Ocean Engineering and Science， 2022，7（1）：29-40.
[11]	HUANG S， HU Y， WANG Y. Research on aerodynamic performance of a novel dolphin head-shaped bionic airfoil［J］. Energy， 2021，214：118179.
[12]	ZHANG G， DUAN F， QU Z， et al. Airfoil flow field for proton exchange membrane fuel cells enhancing mass transfer with low pressure drop［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2024， 225：125420.
[13]	ZHANG S， YANG Q， XU H， et al. Numerical investigation on the performance of PEMFC with rib-like flow channels［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（85）：36254-36263.
[14]	QIN Y， LI X， DU Q， et al. Effect of wettability on water removal from the gas diffusion layer surface in a novel proton exchange membrane fuel cell flow channel［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2013， 38（29）：12879-12885.
[15]	ASHRAFI M， SHAMS M. The effects of flow-field orientation on water management in PEM fuel cells with serpentine channels［J］. Applied Energy， 2017， 208：1083-1096.

参数		数值	单位
活化面积		101.5	mm²
厚度	GDL/MPL/CL/PEM	0.23/0.02/0.012/0.025	mm
流道入口		0.5×0.5	mm
孔隙率	GDL/MPL/CL	0.6/0.5/0.3
渗透率	GDL/MPL/CL	1×10^-11/1×10^-12/1×10^-13	m²
热导率	BP/GDL/MPL/CL	20/10/1/1	W/（m?K）
参考电流密度		10 000	A/cm²
运行压力		101 325	Pa
运行温度		343.15	K
开路电压		1.15	V
接触角	GDL/MPL/CL	120/100/120	（°）
化学计量比	阳极/阴极	2/2.5
相对湿度	阳极/阴极	30%/30%
浓度指数	阳极/阴极	1/1
参考浓度	阳极/阴极	56.4/3.39	mol/m³

案例	流道类型	接触角/（°）
案例	流道类型	GDL	顶部	侧面
1	PFF	140	90	90
2	DSB-FF	140	90	90
3	DSB-FF	125	90	90
4	DSB-FF	110-140	90	90
5	DSB-FF	140-110	90	90