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流场优化的研究，探究了直气体通道和波状气体通道对不同流场形式的燃料电池的性能影响，为理解波状结构对质子交换膜燃料电池的水热管理改良以及性能优化原理做出了贡献。研究成果发表在美国土木工程师学会期刊Journal of Energy Engineering，论文标题为“Performance of parallel, interdigitated, and serpentine flow field PEM fuel cells with straight or wavelike channels”，其中论文第一作者为丁权同学，第二作者为赵红亮同学，第三作者为万忠民教授，第四作者为杨燕茹老师，第五作者为杨臣教授，王晓东教授作为通讯作者。

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，燃料电池流场可以大致分为平行、交指型和蛇型流场三种，而由于流场结构的差异，三种流场的传质机理也不同。已有研究表明，在单通道燃料电池模型中，采用带有波状结构的气体通道能够有效提升燃料电池的性能。但是对于平行流场、交指型流场和蛇形流场来讲，何种流场更适合采用波状结构的气体流道？波状结构对于三种型式燃料电池的传质效率的影响如何？回答这些问题需要开展相关研究。

【论文概述】

论文分别对采用波状通道和直通道的平行流场、交指型流场和蛇形流场的燃料电池性能进行了研究，发现对于平行流场燃料电池，采用波状气体通道后其性能提升最大，而对于交指型和蛇型流场燃料电池并没有明显提升。造成以上结果的主要原因在于，平行流场中反应物的浓度差作为主要的扩散驱动，而波状结构的气体通道则增加了反应物的对流强度，使得反应物扩散不再单纯依赖于浓度差，造成平行流场燃料电池性能明显提升；而对于交指型流场和蛇形流场，由于其本身对流强度较强烈，加入波状通道后并没有使反应物扩散效应增强，进而导致交指型和蛇型流场燃料电池性能没有明显改变。此外，论文研究了波状结构的波长、高度，以及气体通道的高宽比和阴极氧气流量对于燃料电池性能的影响，发现了小波长、大振幅的波状结构组合能够最大幅度地提升电池性能；此外发现，当波状结构参数为：振幅/波长="0.4/2.0=0.2时，燃料电池性能提升幅度最大，可达到13.44%。

图1. 采用直通道和波状气体通道的平行流场、交指型流场和蛇形流场燃料电池性能对比

图2. 三种流场燃料电池在0.3V时阴极气体扩散层中心面处速度分布云图：(a)平行流场；(b)交指型流场；(c)蛇型流场。

图3 不同振幅下采用波状气体通道的平行流场燃料电池极化曲线

图4 不同波长下采用波状气体通道的平行流场燃料电池极化曲线

论文得到了国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）、国家自然科学基金（51676067）和湖南省**（2018JJ1011）的支持。

撰稿人：丁权