华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与湖南理工学院机械工程学院万忠民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中发生的物理化学过程导致燃料电池的熵产情况变化情况，并借助熵产对燃料电池的传质性能进行了评价，提出了不需计算出准确泵功消耗即可合理评价燃料电池传质性能的评价指标。。研究成果发表在爱思唯尔期刊International Journal of Hydrogen Energy，论文标题为“Evaluation criterion of flow fields in PEM fuel cells based on entropy generation analysis”，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，万忠民教授、王晓东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，提高其能量转换效率一直都是研究的重点，而流场型式对提升燃料电池性能有着重要作用。一般来说，燃料电池中具有强制对流效应的流场除会增强传质效应之外，也会造成由于反应气体的粘性流动引起的流动耗散增加。因此，本文基于正弦型气体通道，对流场导致的传质增效与流动损失之间的关系进行了相应的评价，并通过熵增分析方法构建能够反应流场传质性能的评价指标。

【论文概述】

论文分别对振幅为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和波长为2 mm、4 mm、8 mm、10 mm的正弦型气体通道以及相同尺寸的直通道的平行流场的燃料电池性能进行了研究，发现电池性能随着正弦型气体通道的振幅的增加和波长的减小而提升。与电池性能的变化趋势相同，燃料电池内部的传质熵增以及流动熵增也随着正弦型气体通道的振幅增加和波长的减小而增加。造成以上结果的主要原因在于，当正弦型流场具有较大的振幅或较小的波长时，其具有较大的对流强度，因此能够促进燃料电池内部的传质效应。而由于传质性能的提升，导致燃料电池中反应气体的摩尔浓度梯度增加，因此使得传质熵增也增加；而由于对流强度增加，气体通道内的流动耗散也增加，因此流动熵增也呈现出增加趋势。基于以上论述，提出了能够表征传质性能的传质评价指标EGR，结果表明EGR能够在不计算消耗的气体泵功的情况下反应燃料电池中传质的性能，从而起到对流场的筛选作用。同时，论文也得到结论，对于EGR>1的强化传质流场，其传质的增益小于流动的耗散，因此在选择流场时应尽量规避此类气体通道。

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。

图1 正弦型气体通道以及燃料电池数值模拟计算域示意图

图2 具有不同波长的正弦型流场中传质熵产和流动熵产的对比

图3 EGR随不同波长和振幅的正弦型气体通道的分布趋势