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膜电极由于压差导致变形的研究，探究了在膜电极不同阴阳极气体压差导致变形时对燃料电池的性能影响，为理解膜电极形变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。研究成果发表在爱思唯尔期刊International Journal of Hydrogen Energy，论文标题为“Performance investigation of proton exchange membrane fuel cells with curved membrane electrode assemblies caused by pressure differences between cathode and anode”，其中论文第一作者为丁权同学，第二作者为祝开麒同学，第三作者为杨臣教授，第四作者为陈曦老师，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，燃料电池阴极气室压力略高于阳极气室压力，由于膜电极易变性的特性，导致其在微小压力作用下也可以产生形变。目前已有研究表明，当膜电极产生形变时会带来电池性能的改变，而由于压差导致形变所产生的性能提升却尚未提出。压差造成的微小形变对电池内部热质传递会产生何种程度的影响，回答这些问题需要开展相关研究。

【论文概述】

论文分别对阴阳极压差为0、10kPa、20kPa和30kPa时直通道的平行流场的燃料电池性能进行了研究，发现电池性能随着压差的增加而提升。造成以上结果的主要原因在于，当膜电极由于阴、阳极压差产生变形之后，在膜电极和双极板之间产生一个微小的缝隙，导致反应物的扩散得到增强，拓宽了反应物向催化层的扩散，造成燃料电池性能的明显提升。此外，论文研究了不同气体通道高/宽对于变形膜电极的燃料电池性能的影响，发现了当通道高/宽较小时，变形膜电极能够最大幅度地提升电池性能，可达到20.18%。

图1. 压差为0、10、20、30kPa时气体扩散层与气体通道交界面处的形变对比。

图2 压差为0、10、20、30kPa时燃料电池的极化曲线对比。

图3 不同气体通道高/宽下燃料电池极化曲线对比：（a）高/宽=0.5mm/0.5mm；（b）高/宽=1.5mm/1.5mm。

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）的支持。

撰稿人：丁权