陳吉清，曾常菁，周云郊，蘭鳳崇，劉青山

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

前言

燃料電池（fuel cell，F(xiàn)C）被認(rèn)為可能是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四大能量轉(zhuǎn)化發(fā)電方式，是21 世紀(jì)全新、高效、節(jié)能、清潔的發(fā)電方式之一。20 世紀(jì)80 年代初，質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）的研究取得突破性進(jìn)展，使PEMFC 的性價(jià)比大大提高，其優(yōu)越性開(kāi)始受到世界各國(guó)的關(guān)注。PEMFC 具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲低、污染低、對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)快、工作溫度低、啟動(dòng)時(shí)間短、功率密度（power density，Pd）高等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，已成為解決交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染、資源和能源短缺問(wèn)題的潛在解決方案。

電池電極內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)利用氫氣和氧氣進(jìn)行發(fā)電，副產(chǎn)品是熱和水?？煽康娜剂想姵匦阅苋Q于反應(yīng)物在各個(gè)電極上均勻和連續(xù)的供應(yīng)。電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水一方面可以增加質(zhì)子膜（proton exchange membrane，PEM）的水合程度提高質(zhì)子電導(dǎo)率；另一方面，過(guò)多的液態(tài)水會(huì)堵塞氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）和氣體流道（gas flow channel，GC），導(dǎo)致反應(yīng)物向催化劑層（catalyst layer，CL）的運(yùn)輸受到阻礙。因此通過(guò)設(shè)計(jì)合理的流場(chǎng)（flow field，F(xiàn)F）結(jié)構(gòu)保證反應(yīng)物均勻與持續(xù)地供應(yīng)和維持水平衡對(duì)提高電池的輸出性能和壽命十分重要。

關(guān)于氣體分布均勻性方面的研究，Zhang 等［3］開(kāi)發(fā)了一種類似于人類肋骨結(jié)構(gòu)的新型流場(chǎng)，并引入非均勻性來(lái)量化氧氣濃度分布。結(jié)果表明，交叉流道具有最小的氧氣非均勻性0.17，而逆流道具有最好的溫度分布均勻性與FC 性能。Wang 等［4］對(duì)擋板的布置方式和高度分布的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，將擋板布置在GC 的后面可以在GDL/CL 界面獲得最均勻的反應(yīng)氣體，而將擋板布置在整個(gè)GC中可以獲得最大的電流密度值。Zhang 等［5］提出了一種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的新型陰極流場(chǎng)，研究了流場(chǎng)幾何參數(shù)對(duì)FC 中水和氧氣的傳輸及分布特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)孔的大小為0.5 mm 時(shí)，PEMFC 的電流密度增加了11.9%，燃料電池內(nèi)氧氣和水濃度分布的均勻性得到了明顯改善。

關(guān)于GC 中傳質(zhì)性能方面的研究，Cai 等［6］研究了擋板截面形狀和長(zhǎng)度對(duì)FC 性能的影響。結(jié)果表明，擋板的截面形狀以及擋板長(zhǎng)度對(duì)傳質(zhì)強(qiáng)化有很大影響。梯形截面以及擋板單個(gè)長(zhǎng)度約為流道長(zhǎng)度的4%，總長(zhǎng)度約為30%時(shí)，F(xiàn)C 性能的提升最大。Atyabi 等［7］對(duì)一種添加了六邊形擋板的新型流場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，六邊形擋板PEMFC 內(nèi)的各電化學(xué)參數(shù)變量分布更均勻。Shen 等［8］定義了協(xié)同角和有效傳質(zhì)系數(shù)，并將其應(yīng)用于評(píng)估流道的傳質(zhì)性能。結(jié)果表明，隨著擋板的添加，陰極處氣體速度和濃度梯度之間的平均協(xié)同角減小，而有效傳質(zhì)系數(shù)提高，從而提高了PEMFC的性能。

關(guān)于GC 中排水性能方面的研究，Wang 等［9］研究了GDL 排水過(guò)程及其對(duì)FC 性能的影響。結(jié)果表明，平面內(nèi)（in-plane，IP）方向的干燥速率與穿過(guò)平面（through-plane，TP）不同，肋阻礙了反應(yīng)物/水的擴(kuò)散運(yùn)輸。因此，液態(tài)水被截留在肋下，只有在GC下方GDL的TP方向干燥完成后，肋下方的水損失才會(huì)開(kāi)始。Niu 等［10］使用兩相體積流體模型評(píng)估了兩種三維陰極流道設(shè)計(jì)的排水與傳質(zhì)性能。結(jié)果表明，兩種流道設(shè)計(jì)的傳質(zhì)性能有顯著增強(qiáng)，在高電流密度i下，可將FC 性能提高9%。Wang 等［11］對(duì)平行梯形擋板和交錯(cuò)梯形擋板PEMFC 的傳質(zhì)和排水性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，兩種擋板均能提高流道的傳質(zhì)性能。交錯(cuò)梯形擋板流道具有更好的氣體分布均勻性以及排水性能，但在低相對(duì)濕度（relative humidity，RH）時(shí)具有較差的表現(xiàn)。

在GC中添加擋板將顯著改變FC內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程，從而改變電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱量將反過(guò)來(lái)改變FC 內(nèi)部的熱量和質(zhì)量傳輸。如果要準(zhǔn)確討論GC 中擋板幾何結(jié)構(gòu)對(duì)FC 性能的影響，必須考慮對(duì)FC中的熱量和傳質(zhì)過(guò)程以及電化學(xué)反應(yīng)有重大影響的因素?；谏鲜鲈?，建立了一個(gè)三維、多相、非等溫穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，該模型考慮了多孔層（porous layers，PLs）各向異性性質(zhì)以及催化劑層的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響。以提出的一種新型五邊形擋板FF為例，分析了擋板的加入對(duì)FC傳熱傳質(zhì)過(guò)程和電化學(xué)性能的影響。

1 PEMFC的三維多相數(shù)值模型

1.1 問(wèn)題描述

為提升陰極GC的傳質(zhì)性能與氣體分布均勻性，本研究基于單直流道設(shè)計(jì)了一種新型流道，將五邊形擋板交錯(cuò)地均勻布置于單直流道中。擋板數(shù)量與擋板的布置間距和擋板大小有關(guān)，太稀疏的擋板數(shù)量不能有效地為氣體提供強(qiáng)制對(duì)流和引導(dǎo)流，而太密集的擋板數(shù)量又會(huì)增加流道的壓降（pressure drop，PD）進(jìn)而增加寄生功率。為更好地提升FC 的性能，并考慮到GC 的加工成本與精度，將五邊形擋板的外接圓半徑R定為0.75 mm，橫向/縱向圓心距W/L為2.25 mm，擋板高度H為1.5 mm。五邊形擋板流道PEMFC 模型及陰極GC 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 PEMFC模型和陰極GC結(jié)構(gòu)示意圖

為準(zhǔn)確分析各向異性傳質(zhì)能力對(duì)FC 中水分布的影響，考慮了FC 中液相、氣相和溶解相里水的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。研究中使用的控制方程、描述CL團(tuán)聚體模型以及PLs各向異性性質(zhì)的公式見(jiàn)1.2節(jié)，其他公式見(jiàn)文獻(xiàn)［12］和文獻(xiàn)［13］。

1.2 控制方程

研究中使用的控制方程以及控制方程中涉及的源項(xiàng)如表2和表3所示。

表2 控制方程表達(dá)式

表3 源項(xiàng)表達(dá)式

1.3 陰極CL團(tuán)聚體模型

傳統(tǒng)的均勻模型將CL視為一個(gè)整體，所有屬性均勻分布，忽略了其實(shí)際形態(tài)對(duì)傳質(zhì)和電化學(xué)過(guò)程的各種影響。為更準(zhǔn)確地獲得FC 性能，對(duì)Fluent 中的源代碼進(jìn)行修改和重新編譯，并植入CL團(tuán)聚體的異構(gòu)模型。CL 由孔隙空間、鉑（Pt）/碳（C）顆粒和離聚物相組成，相關(guān)參數(shù)的表達(dá)式如表4所示。

表4 CL團(tuán)聚體模型相關(guān)參數(shù)表達(dá)式

1.4 各向異性多孔層

GDL 材料一般采用碳紙或碳布，微孔層（MPL）材料一般采用碳粉，這些材料具有明顯的纖維結(jié)構(gòu)，IP 和TP 方向的傳遞系數(shù)會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。通過(guò)用戶自定義函數(shù)，GDL 的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)可以與其傳輸性質(zhì)相結(jié)合，以計(jì)算GDL 實(shí)際結(jié)構(gòu)引起的各向異性性質(zhì)對(duì)內(nèi)部熱量和質(zhì)量傳輸過(guò)程的影響。GDL 的傳輸性質(zhì)使用以下公式進(jìn)行計(jì)算，由于關(guān)于MPL 各向異性的研究較少，沒(méi)有公式化的各向異性傳質(zhì)表達(dá)，因此直接采用文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)取值。

有效滲透率［15］為

式中rf，GDL為GDL中的纖維半徑。

GDL的有效電子電導(dǎo)率［16］為

有效擴(kuò)散系數(shù)［17］為

有效熱導(dǎo)率［18］為

2 模型求解和有效性驗(yàn)證

2.1 模型求解

圖2 顯示了帶擋板GC 的PEMFC 中的熱量和質(zhì)量傳輸過(guò)程以及擋板對(duì)氣流的影響。擋板的添加會(huì)影響流道的傳質(zhì)性能和排水性能從而影響到PLs 中液態(tài)水的含量。擋板的五邊形形狀還會(huì)促使流道中產(chǎn)生橫向流，使氣體分布更均勻。為進(jìn)一步研究五邊形擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流道傳質(zhì)性能與氣體分布均勻性的影響，本文將擋板高度分為H0、H25、H50、H75、H100 5組，H為擋板高度，后面的數(shù)字代表高度的百分比，H100 擋板高度與流道高度相同，H0 即為初始單直流道，對(duì)這5 組流道設(shè)計(jì)方案下的FC 輸出性能和內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行研究與分析。

圖2 PEMFC內(nèi)的物質(zhì)及熱傳輸過(guò)程和五邊形擋板對(duì)氣流方向的影響示意圖

2.1.1 模型域和假設(shè)

該模型計(jì)算域的面積為11 mm×30 mm 的完整單直流道FC。PEMFC 的詳細(xì)參數(shù)及操作狀態(tài)見(jiàn)表5。在此模型的建立中使用了以下簡(jiǎn)化假設(shè)：（1）FC中的流動(dòng)是層流，這對(duì)于低速和低雷諾數(shù)是合理的；（2）假設(shè)PEM 是不透氣的，未考慮穿過(guò)PEM 的氣體輸送的影響；（3）氣體混合物是不可壓縮的理想流體；（4）電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在CL中；（5）PEM 是各向同性的多孔層。

表5 PEMFC的操作條件和物理/電化學(xué)參數(shù)

2.1.2 數(shù)值實(shí)現(xiàn)

該模型包括除冷卻劑通道外的PEMFC 的所有子域。在ANSYS meshing 中創(chuàng)建有限元模型，并在商業(yè)Fluent 2022 R1 軟件上進(jìn)行控制方程的離散化和求解［19］。在所有控制方程的源項(xiàng)中，PLs 的各向異性通過(guò)用戶定義的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。CL 團(tuán)聚體模型則是通過(guò)修改和編譯源代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用自行開(kāi)發(fā)的軟件，根據(jù)PEMFC 的運(yùn)行參數(shù)和初始電流密度，計(jì)算了PEMFC 的初始邊界條件，如入口質(zhì)量流量和物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)?；趬毫Φ姆蛛x求解器與SIMPLEC算法一起用于速度壓力耦合。10-5的常數(shù)值設(shè)置為所有傳輸現(xiàn)象方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 模型有效性驗(yàn)證

2.2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

由于模擬的結(jié)果與網(wǎng)格的精細(xì)程度有關(guān)，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試以達(dá)到與網(wǎng)格大小無(wú)關(guān)的解決方案。膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）的網(wǎng)格精細(xì)程度對(duì)模擬結(jié)果的影響較大，因此主要對(duì)MEA 的網(wǎng)格劃分進(jìn)行調(diào)整，網(wǎng)格細(xì)節(jié)如表6所示。以H50為例進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)在657 000～953 000之間。各方案的極化曲線如圖3所示。

表6 網(wǎng)格劃分方案

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證極化曲線

由圖3 可以看出，5 種方案的極化曲線都較接近，方案3、4和5更為接近。在FC電壓（Vcell）為0.55 V時(shí)，方案1、2、3、4和方案5的電流密度計(jì)算結(jié)果之間的偏差分別為4.7099%、2.4849%、0.2472% 和0.1006%。這表明方案3、4 和5 可以很好地滿足網(wǎng)格獨(dú)立性。由于方案3 的計(jì)算時(shí)間相比于方案4 和方案5 最短，考慮到計(jì)算成本和計(jì)算精度，最終選擇方案3作為本研究的網(wǎng)格劃分方案。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和結(jié)果如圖4 所示。圖4（a）所示燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)和質(zhì)子交換膜燃料電池電堆由紹興俊吉能源科技有限公司提供。氫氣瓶由佛山科的氣體化工有限公司提供，氣瓶壓力為15 MPa，氫氣純度為99.99%。氫氣和空氣的流速保持與化學(xué)計(jì)量比相同的常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中氫氣壓力為0.05 MPa，工作環(huán)境溫度為25 ℃。每種情況下以1 天的間隔運(yùn)行電堆3 次，發(fā)現(xiàn)各自的極化曲線是可重復(fù)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果被處理并轉(zhuǎn)換成單個(gè)FC 的極化曲線數(shù)據(jù)。仿真驗(yàn)證模型是根據(jù)供應(yīng)商提供的與電堆FC 單體一致的參數(shù)建立的，模擬的操作參數(shù)盡可能接近實(shí)驗(yàn)參數(shù)。獲得的極化曲線如圖4（b）所示?？梢钥闯?，在不同RH 和陽(yáng)極/陰極化學(xué)計(jì)量比（anode/cathode stoichiometry ratio，Sa/Sc）情況下的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合良好，模型的有效性滿足要求。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)采用陰極CL 團(tuán)聚體模型并考慮PLs 各向異性傳質(zhì)能力的影響，與傳統(tǒng)的CL均質(zhì)和各向同性傳質(zhì)能力模型相比，開(kāi)發(fā)的數(shù)值模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)歐姆和濃度極化區(qū)域的FC 性能。從圖4（b）可以看出，本文中開(kāi)發(fā)的模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全極化區(qū)域中不同RH和化學(xué)計(jì)量比下的FC性能。

僅考慮CL 團(tuán)聚物對(duì)FC 性能的影響，在高i和高RH 的情況下，CL 均質(zhì)模型將FC 性能高估了約7.143%。僅考慮PL 的各向異性傳質(zhì)能力對(duì)FC 性能的影響，各向同性傳質(zhì)模型在中等電流密度和低RH 的情況下將FC 性能高估了約1.986%。因此，在討論擋板五邊形形狀及其高度參數(shù)在RH=50%情況下對(duì)FC 性能的影響時(shí)，有必要考慮CL 的實(shí)際團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和PL的各向異性傳質(zhì)能力。

為具體分析五邊形擋板對(duì)PEMFC 輸出性能的影響，繪制了每種方案下的極化曲線和功率密度曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同擋板高度的陰極流場(chǎng)極化曲線與功率密度曲線

通過(guò)分析圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)Vcell范圍下，H100的性能都要高于其余4組，并且Vcell越小，i的提升量越大。這是因?yàn)檩^高的擋板有效地誘導(dǎo)了強(qiáng)制對(duì)流，促進(jìn)了GC 中氧氣向PL 的TP 方向的輸送。H0、H25、H50、H75 4 組在性能上比較接近，在Vcell＞0.55 V 時(shí)，這4 組i的大小比較順序?yàn)镠75＜H50＜H25＜H0；在Vcell≤0.55 V 時(shí)，H75，H50，H25 的i提升量增大，在Vcell=0.4 V 時(shí)，比較順序?yàn)镠0＜H25＜H50＜H75，與之前的順序相反。為進(jìn)一步探討不同高度的五邊形擋板對(duì)FC 內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過(guò)程的影響以及產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，分析了FC 在最大功率密度Pd（Vcell=0.55 V）時(shí)穩(wěn)態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)，并繪制了各種參數(shù)的等值線云圖。

不同陰極GC設(shè)計(jì)下的陰極GC/GDL界面上Y方向的速度云圖如圖6 所示，H0 的Y方向速度最小，H100 的Y方向速度最大。由于H25 的擋板高度較低，對(duì)氣流的強(qiáng)制對(duì)流起到的效果也較小，所以H25和H0 兩個(gè)案例的速度云圖比較相似。H75 的Y方向氣體流速相比與前三者分布更加均勻。H100中，五邊形擋板前方以及兩側(cè)的Y方向速度明顯提升，且在擋板后存在-Y方向的速度。由于擋板高度較高，且形狀為五邊形，使擋板對(duì)氣流的強(qiáng)制對(duì)流影響較大，也增強(qiáng)了GC中的橫向流。因此隨著擋板高度增加Y方向上的速度也就更大，除H100 以外，分布也更加均勻。

圖6 不同擋板高度下陰極GC/GDL界面上Y方向的速度云圖

不同陰極GC 設(shè)計(jì)下的PEM 中面上的質(zhì)子電導(dǎo)率云圖如圖7 所示。質(zhì)子電導(dǎo)率主要與PEM 的水含量λ和溫度有關(guān)，且水含量起到主導(dǎo)作用，水含量越高，PEM 的質(zhì)子電導(dǎo)率就越高。在所有案例中，PEM 中面的質(zhì)子電導(dǎo)率都明顯呈現(xiàn)出兩側(cè)高中間低，且從流道入口處逐步增加的趨勢(shì)，說(shuō)明PLs中的液態(tài)水更趨于向兩側(cè)以及流道出口聚集，使PEM 充分水合提升了PEM 兩側(cè)及出口處的水含量。這是因?yàn)榱鞯廊肟谔幍臍怏w流速較快，進(jìn)而提升了流道入口處的排水能力。五邊形擋板的存在進(jìn)一步提升了流道的氣體傳輸與排水能力，且擋板高度越高，流道的排水能力越強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致PLs的液態(tài)水飽和度s（liquid water saturation）較低。但在H100 案例中，擋板與GDL 直接接觸，阻礙了PLs 中液態(tài)水向流道中的傳輸，起到了保水作用，提升了s，進(jìn)一步提升了PEM 中的水含量，這也使擋板下方的PEM中面的質(zhì)子電導(dǎo)率要明顯高于擋板周圍。同樣起到保水作用的還有流道兩側(cè)的肋，這也解釋了PEM 中面的質(zhì)子電導(dǎo)率呈現(xiàn)出兩側(cè)高、中間低趨勢(shì)的原因。

圖7 不同擋板高度下PEM中面上的質(zhì)子電導(dǎo)率云圖

由圖7 可以看出，H100 的PEM 質(zhì)子電導(dǎo)率最高，其次分別是H0、H25、H50、H75，與圖5 中各案例Vcell≥0.55 V 時(shí)i的排列順序相同。根據(jù)上述分析，PEM 的水含量是影響其質(zhì)子電導(dǎo)率的主要因素，從而進(jìn)一步影響i的大小。在5 組案例中，H75 的流道排水能力最強(qiáng)，導(dǎo)致PLs 中s最低，最終導(dǎo)致PEM 的水含量最低，而H100 的保水能力最強(qiáng)，因此在Vcell≥0.55 V 時(shí)，H75 的i最 小，H100 的i最 大。當(dāng)Vcell＜0.55 V 時(shí)，CL 中的產(chǎn)物水增加，使流道排水能力對(duì)PEM 水含量的影響減小，此時(shí)傳質(zhì)能力對(duì)i的影響作用增加，從圖6 得知擋板高度越高，流道傳質(zhì)能力越強(qiáng)，因此在Vcell=0.4 V 時(shí)，i的大小為H0＜H25＜H50＜H75＜H100。

不同陰極GC 設(shè)計(jì)下GDL 中面的溫度云圖如圖8 所示。在所有案例中，流道中間的溫度都要高于兩側(cè)。在前4 組案例中，擋板高度越高，GDL 中面的溫度越高。在H100中，GDL中面的溫度要明顯低于其余4 組，且擋板上方的溫度要略低于擋板周圍。結(jié)合流道的排水性能來(lái)看，流道GDL 中面的溫度主要取決于s，s高的位置其散熱能力更好，因此溫度也就相對(duì)較低。

圖8 不同擋板高度下陰極GDL中面上的溫度云圖

不同陰極GC設(shè)計(jì)下CL中面的電化學(xué)反應(yīng)速率云圖如圖9 所示。所有案例中電化學(xué)反應(yīng)速率呈現(xiàn)出兩側(cè)高中間低的分布趨勢(shì)，且H100的電化學(xué)反應(yīng)速率隨著流動(dòng)方向逐步增加?？紤]CL的實(shí)際團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)后，CL的三相界面必須有足夠的氣體進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)必須有適量的水來(lái)充分潤(rùn)濕離聚物，以確保質(zhì)子的有效傳導(dǎo)。在GC的兩側(cè)，水的濃度相對(duì)充足，因此該區(qū)域的電化學(xué)反應(yīng)速率最高。H0 和H25 的電化學(xué)反應(yīng)速率略高于H50 和H75 的反應(yīng)速率，是因?yàn)镠0 和H25 的s更高。H75 局部反應(yīng)速率略高于H50但平均反應(yīng)速率不如H50。H100 的電化學(xué)反應(yīng)速率明顯大于其他4 組，是因?yàn)镠100 不僅有最高的s，且擋板的強(qiáng)制對(duì)流導(dǎo)致更多的氧氣在CL內(nèi)反應(yīng)。

圖9 不同擋板高度下陰極CL中面上的反應(yīng)速率云圖

不同陰極GC 設(shè)計(jì)下MPL/CL 界面處的氧氣摩爾濃度（Co2）云圖如圖10 所示。在所有案例中，Co2在入口處都具有最高值，且隨著沿途的電化學(xué)反應(yīng)消耗氧氣，Co2沿著流動(dòng)方向逐漸降低。H0、H25、H50、H75 的Co2較接近，H100 的Co2最低。結(jié)合圖9 和圖10，可以發(fā)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)速率越高，Co2越低。這是因?yàn)殡m然H100的傳質(zhì)性能最好，有更多的氧氣被輸送到CL，但各案例中流道傳質(zhì)性能的差距要明顯小于反應(yīng)速率的差距，而H100在所有案例中反應(yīng)速率最大，因此消耗的氧氣最多，而消耗的氧氣越多，留下的氧氣就越少。

圖10 不同擋板高度下陰極MPL/CL界面上的氧氣摩爾濃度云圖

不同陰極GC 設(shè)計(jì)下每個(gè)變量的面積加權(quán)平均值和分布均勻性如圖11 所示。使用式（6）［27］計(jì)算每個(gè)變量的分布均勻性。

圖11 不同陰極GC設(shè)計(jì)情況下變量的平均值和分布均勻性

式中Ub、bo、Aact和bav分別為變量的分布均勻性、局部變量值、活化面積和平均變量值。

如圖11（a）所示，PEM 中間平面中H100的平均i最高，H75 的平均i最低。H25 的i分布均勻性要低于H0，但隨著擋板高度的增加，i的分布均勻性增加，H100的i分布均勻性最好。

如圖11（b）所示，H75 的平均溫度最高，H100 的平均溫度最低。除H100外，其余案例的平均溫度隨著擋板高度增加而增加。與電流密度的分布均勻性情況相似，溫度的分布均勻性在添加擋板之后先降低后隨著擋板高度的增加而增加，H100的溫度分布均勻性最好。

如圖11（c）所示，H75的平均Co2值最大，H100的平均Co2值最小。H75的Co2分布均勻性最好，H100的Co2分布均勻性最差。除H100外，隨著擋板高度的增加，Co2的平均值與分布均勻性增加。

如圖11（d）所示，H100 的平均水摩爾濃度CH2O值最大，H75 的最小，一方面是因?yàn)镠75 反應(yīng)生成的水少，H100 反應(yīng)生成的水多，另一方面也是因?yàn)镠75的排水能力最好而H100的保水能力最好。

不同陰極GC 設(shè)計(jì)下的PD，功率密度和性能增益數(shù)據(jù)如表7 所示。使用式（7）［28］計(jì)算FC 的泵送功率密度Ppump為

表7 不同陰極GC設(shè)計(jì)的不同壓降、功率密度和性能增益

由于所有案例中的陽(yáng)極GC都是相同的結(jié)構(gòu)，因此這里只關(guān)注陰極GC 的PD。H100 的陰極PD 最大，H0（單直流道）最小。其余案例的PD 也隨擋板高度的增加而增加。由于良好的GC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些情況下的Ppump非常小，對(duì)FC 的輸出功率幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)RH＝50%時(shí)，H100 的最大凈Pd與H0 相比提高了17.778%，其余案例的性能則不如H0，是因?yàn)槌鼿100，其余案例的GC 設(shè)計(jì)都不同程度上提升了排水能力，使PEM 水合程度降低，在高i或高RH 條件下，這些GC設(shè)計(jì)應(yīng)該會(huì)有更好的表現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文考慮了PLs 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱量和質(zhì)量傳輸能力的影響以及CL實(shí)際團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的電化學(xué)模型，建立了一個(gè)五邊形擋板流場(chǎng)的三維多相非等溫穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，分析了五邊形擋板高度對(duì)FC 性能的影響，得出的結(jié)論如下。

（1）擋板的存在會(huì)引起強(qiáng)制對(duì)流，促使氣體向多孔層流動(dòng)，擋板高度越高，強(qiáng)制對(duì)流效果越明顯。擋板的五邊形形狀會(huì)將一部分氣流引導(dǎo)到GC 的兩側(cè)，在GC 引起橫向流，使氣流傳輸分布更加均勻。除H100案例，擋板高度越高，氣體分布越均勻。

（2）H100 擋板的保水能力以及傳質(zhì)能力最好，具有最好的FC 性能，與H0 即原始GC 相比，凈功率密度增加17.778%；H75 擋板的排水能力最好，因此導(dǎo)致膜水合程度降低，在低i與中i下，F(xiàn)C 性能最差，但在高i下有所改善。

（3）H100 擋板的保水能力提升了其散熱性能，在所有案例中具有最小的溫度，避免了熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

（4）PEM 中面的i與溫度的分布均勻性在添加擋板時(shí)會(huì)先降低，后會(huì)隨著擋板高度的增加而增加。H75 的氧氣摩爾濃度分布均勻性最好，而H100 的水摩爾濃度、i、溫度的分布均勻性最好。

（5）五邊形擋板的高度越高，陰極GC 的壓降越大，相應(yīng)的寄生功率也越大。本研究中提出的GC結(jié)構(gòu)具有較小的壓降，可以在提高FC性能的同時(shí)產(chǎn)生較低的寄生功率。