华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授、湖南理工学院机械工程学院万忠民教授以及香港城市大学李笃中教授合作开展了质子交换膜燃料电池传质性能评价的研究，探究了由于燃料电池的阴极泵功对其内部的氧气传输的影响，并对不同泵功下燃料电池内部氧气传输特性进行了分析，提出了基于燃料电池系统能量转化效率最高的最佳泵功以及新型的竹节型流场。研究成果发表在爱思唯尔期刊Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，论文标题为“Effects of pumping power on oxygen transport and performance of proton exchange membrane fuel cell”，其中论文第一作者为丁权同学，第二作者为祝开麒同学，第三作者为徐江海同学，第四作者为张本熙老师，第五作者为杨燕茹老师，第六作者为天津商业大学王誉霖副教授，万忠民教授、王晓东教授和李笃中教授共同作为通讯作者。

质子交换膜燃料电池作为一种高效率、低能耗的能量转换设备。作为燃料电池系统来讲，燃料电池的阴极泵功大小将直接影响燃料电池系统的总体发电效率。因此探究其泵功对燃料电池传质的影响始终是研究的重点，而流场型式对提升燃料电池性能有着重要作用。一般来说，平行流场具有较弱的对流效应，而蛇型流场则具有较强的对流效应，因此传质性能蛇型好于平行流场；但平行流场具有较小的泵功消耗，而蛇型流场则具有较高的泵功消耗。因此，本文基于两种流场的传质性能和阴极泵功的对比，为了加强平行流场的传质性能，提出了竹节型气体通道。并对流场的传质增效与泵功损失之间的关系进行了评价，得到了几种流场的最佳泵功区间。具有一定的工程指导意义。

【论文概述】

泵功由气体反应物在流场中流动的阻力决定，显著影响质子交换膜燃料电池（PEMFC）的净输出功率密度，特别是对风冷PEMFC。目前还没有关于高泵功下燃料电池氧气传输性能的研究。此外，当燃料电池运行在中间泵功时，其需要新的气体通道。采用三维、非等温、两相燃料电池模型模拟稳态燃料电池内的流体流动和质量输运过程，并报道了氧浓度分布、界面通量、由此产生的压差和电流密度。研究了三种流场：平行流场、蛇形流场和新型竹形流场。研究发现，泵功存在阈值，在该阈值之上，电流密度达到一个平台，通过在阴极积聚水而增加的阻力来平衡。蛇形流场的阈值泵功和最大电流密度（0.8 W，1.83 A∙cm-2）都高于平行流场的阈值泵功和最大电流密度（0.1 W，1.71 A∙cm-2），因为蛇型流场中氧气的输运主要依靠对流，平行流场则主要依靠扩散。基于两者的差别，提出了一种竹节型流场，以弥补蛇形流场需要高泵功的缺点。竹节型流场的阈值泵功为0.5 W，最大电流密度为1.78 A∙cm-2。平行流场可应用于高质量流量和低泵功场景；在低质量流量和高泵功情况下，可采用蛇形流场；在两者之间，竹节型流场可以作为一种合适的替代方案。

图1 平行流场、蛇型流场和竹节型流场的示意图

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图2 三种流场的泵功随流量的变化趋势和阈值泵功的对比

论文得到了国家自然科学基金重点项目（52090062）、国家自然科学基金（51976055）和湖南省科技创新项目（2020RC4040）以及湖南省重点研发计划（2021GK2017）的支持。

撰稿人：丁权