上海交通大學機械工程系邱殿凱教授等人于2020年3月公開發表論文“Numerical analysis of air-cooled proton exchange membrane fuel cells with various cathode flow channels”。這篇論文提出了一種考慮電化學影響的三維風冷燃料電池電池模型，以研究陰極通道結構對質子交換膜燃料電池的影響，并對模型進行了實驗驗證，證明了空冷型質子交換膜燃料電池陰極采用不同的流場會對燃料電池內部相對濕度和傳質的分布造成顯著影響。

圖1為本文提出的一種三維風冷燃料電池模型，其中圖1（a）為典型的多個單電池組成的風冷燃料電池堆，以提供足夠的電壓和輸出功率。圖1(b)為單片燃料電池結構，其中陽極通入氫氣的流場采用了10條通道，而陰極通入空氣的流場采用了30條通道。圖1(c)為單片燃料電池陰極流場的一個通道，因此可以很清楚的知道本論文風冷燃料電池模型陰陽極流場的結構以及整個燃料電池堆的結構。

圖2為本次試驗采用的實驗設備，其中主要包括整套實驗設備的電源、為燃料電池提供風冷的風扇、控制風扇功率的電子控制器、燃料電池堆和一個伏安表。

文章通過試驗和模擬仿真得出的數據，做出燃料電池的極化曲線來驗證模擬仿真的正確性。圖3為模擬仿真數據和試驗數據做出的兩條極化曲線對比圖，從圖片中可以看出模擬仿真的極化曲線和試驗數據的極化曲線基本一致，從而驗證了模擬仿真的正確性。

作者通過改變陰極流場通道肋的寬度和通道的寬度的比（0.6-1.8, 0.9-1.5, 1.2-1.2, 1.5-0.9, 1.8-0.6, 2.1-0.3和2.2-0.2mm)來研究陰極流場結構對燃料電池的影響。試驗結果如圖4所示，從圖4（a）可以看出隨著肋的寬度的增加，即通道寬度的減小，通道內相對濕度不斷增加，這是因為隨著肋的寬度增加，通道的寬度減小，導致通道內壓力過高，排水阻力不斷增強。從圖4（b）可以看出隨著肋的寬度的增加，即通道寬度的減小，通道內的氧氣摩爾含量不斷減少，這是因為隨水的堆積，導致通道內的氧氣傳遞受阻，因而氧氣的摩爾含量降低。從圖4（c）可以得到沿著陰極通道長度的方向相對濕度不斷增大，這是因為隨著反應的進行，反應產生的水不斷沿著通道堆積。從圖4（d）得出隨著肋的寬度和通道的寬度的比例增加，通道內的平均相對濕度不斷增加而氧氣摩爾含量卻不斷減少的結論。

最終得出結論當陰極流場通道肋的寬度和通道的寬度之比小于3時，能夠很好的增強電池性能，同時隨著比值的增加，燃料電池性能不斷下降。本研究有助于提高我們對空冷燃料電池電池性能與陰極通道設計之間關系的認識，為后續開發更高效的燃料電池流場結構打下基礎。

(本文引自上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室邱殿凱教授公開發表論文“Numerical analysis of air-cooled proton exchange membrane fuel cells with various cathode flow channels”)

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