本期CEVE規程內容：天津大學國家工程重點實驗室秦彥周教授等人于2020年3月公開發表論文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on  proton exchange membrane fuel cell performance”。這篇論文提出了在質子交換膜燃料電池電池進氣流場內加入梯形擋板的想法，通過三維數值模擬與試驗驗證，證明了在質子交換膜燃料電池進氣流場內加入梯形擋板可以改善反應物在多孔介質層中分布不均的情況，并且這種結構還可以有效的去除電池中因電化學反應累積產生的水。最終驗證了反應物分布和水管理對于質子交換膜燃料電池的性能至關重要的觀點。

圖1為本文提出的加入擋板的單通道燃料電池三維模型，其中圖1（a）為在陰極氧氣進氣流場中加入梯形擋板的三維結構圖。圖1（b）為在陰極氧氣進氣流場中加入的4組梯形擋板的兩種布置形式，其中一種為平行對稱放置，另外一種為交錯放置。圖1（c）為燃料電池的截面圖。通過圖1可以清楚的知道本論文燃料電池模型的內部結構。

圖1.單通道燃料電池結構圖：(a)燃料電池內部結構(b)陰極流場擋板位置(c)電極橫截面

為了探究本文提出的想法，本文制作了三種陰極流場結構的石墨極板進行試驗驗證，其中分別為未添加擋板的普通平行流場、添加平行對稱擋板的流場和添加交錯擋板的流場，如圖2所示。

圖2.質子交換膜燃料電池陰極流場結構圖：(a)未添加擋板的普通平行流場 (b)添加平行對稱擋板的流場 (c)添加交錯擋板的流場

在其他條件不變的情況下，通過對這三種石墨極板進行試驗，然后把三組實驗數據拿來對比分析。圖3為三種流場的燃料電池的極化曲線，當電池運行溫度和進氣溫度為750C，進氣濕度為100%時，我們通過圖3可以看到放置擋板的兩種流場結構的輸出功率要高于未放置擋板的普通流場結構，其中交錯放置擋板的結構輸出功率最高，這也證明了在陰極流場中放置擋板可以有效提高燃料電池輸出功率。

圖3.三種流場結構的極化曲線

然后作者針對這兩種擋板不同放置的流場結構進行了更為深入的分析，圖4為當電池電壓為0.6V時，氣體擴散層與催化層交界界面中的氧氣濃度值。從圖中可以看出隨著流場進氣方向，擋板交錯放置的氧氣含量曲線下降速率比擋板平行對稱放置的慢，說明了擋板交錯放置的電池反應物分布更均勻，不會造成局部反應過劇烈，導致部分區域反應物不足、電池內部溫差過大等問題。

圖4.在不同流場電池電壓為0.6V時，GDL/CL界面中的O₂濃度：（a）O₂濃度采樣線示意圖（b）通道內不同區域的O₂濃度（c）通道內對稱線上的O₂濃度

圖5為當電池電壓為0.6V時，氣體擴散層與催化層交界界面中水的體積分數值。從圖中可以看出擋板交錯放置結構流場內含水量要低于擋板平行對稱放置的結構，證明了擋板交錯放置的結構比平行放置的結構除水性更強，可以有效去除流場內多余的水，可以防止電池發生水淹現象。

圖5.在不同流場電池電壓為0.6V時，GDL/CL界面中的水的體積分數

最終得出結論，本文提出的陰極流場放置擋板可以更好地引導反應氣體在多孔電極中的對流流動，其中擋板交錯放置這種結構綜合性能最佳，具有最大的輸出功率、最均勻的反應物分布以及最好的排水性能。證明了陰極流場中擋板的加入可以有效的提高質子交換膜燃料電池的性能。

(本文引自天津大學國家工程重點實驗室秦彥周教授公開發表論文“Numerical and experimental investigation of baffle plate arrangement on proton exchange membrane fuel cell performance”)

原文參考：

https://sci-hub.tw/10.1016/j.jpowsour.2020.228034

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