嵌入式金属双极板质子交换膜燃料电池的热量和质量传递特性研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Investigation of heat and mass transfer properties of the embedded metal bipolar plate proton exchange membrane fuel cell

双极板结构优化与热管理研究。提出嵌入式金属双极板（EMBP）集成嵌入式半封闭冷却流场（ESECFF），系统对比传统金属双极板（TMBP）在温度均匀性、传质效率和电池性能上的优势，验证其能量密度提升5.74%-17.46%。通过优化冷却流场几何参数实现热管理效能与制造可行性的平衡。

　　

梅晓凯|江晓辉|杨曦|张勇|陈阳阳|魏一凯|李卓强|田明忠|梁赛赛

上海科学技术大学机械工程学院，中国上海 200093

摘要

为了解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）双极板（BPs）在结构创新和体积能量密度方面的不足，本研究提出了一种新型嵌入式金属双极板（EMBP），并将其与ESECFF冷却结构集成。通过系统级耦合分析，系统地比较了EMBP与传统金属双极板（TMBPs）在温度均匀性、质量传递和电池性能方面的差异。结果表明，EMBP在能量密度、热传递和反应效率方面优于TMBP，有效解决了温度集中问题。案例1（小O₂通道 + 嵌入式H₂–O₂通道）的电流密度比案例2（大O₂通道）高5.74%。EMBP的通道尺寸（O₂：0.25 × 0.25 mm；H₂：0.45 × 0.25 mm）使能量密度提高了5.78%和17.46%，同时兼顾了工艺可行性。本研究为高性能PEMFC工程提供了理论和支持，未来将进一步开展全板制造和实验验证工作。

引言

人类社会的快速发展导致了地球上传统化石燃料的加速消耗。氢能被广泛视为能源系统转型的关键来源，并已进入快速发展阶段[1]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效的氢能利用装置，具有高能量转换效率和零排放的特点，在多个领域受到了广泛关注[2]。提高功率密度，特别是体积功率密度——增强耐用性并降低成本，是PEMFC发展的关键趋势[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。典型的传统质子交换膜燃料电池由流场雕刻的双极板（BP）和中央膜电极组件（MEA）组成，其中BP占堆栈总体积和重量的很大比例[8]。然而，PEMFC在运行过程中的能量转换效率仅为40%–60%，剩余的能量转化为热量[9]。如果这些热量不能及时排出，将会提高PEMFC的温度。温度升高可能导致PEMFC堆栈的热失控或性能下降，甚至可能引起质子交换膜的脱水和穿孔，以及严重的安全隐患[10]。因此，水和热管理以及PEMFC的微型化已成为当前研究的重点。

在氢燃料电池微型化研究中，Tongsh等人[11]提出了一种针对燃料电池堆栈功率密度瓶颈的结构优化方法，该方法消除了气体扩散层（GDL）并大幅压缩了膜电极组件（MEA），从而显著减少了堆栈厚度，大大提高了体积功率密度。研究表明，组件的结构集成和功能整合是提高堆栈紧凑性的有效手段。Stéven等人[12]提出了一种金属整体式燃料电池堆栈设计，将传统堆叠组件的高度降低了2–4倍，最终实现了高达6–8 kW/L的体积功率密度。这种方法显著提高了空间利用率，为车辆和便携式应用提供了有价值的经验。Norishige等人[13]为丰田Mirai开发了一种紧凑型高性能汽车燃料电池堆栈，采用了三维细网格流场和无加湿器操作策略。该设计在保持高输出性能的同时显著减少了堆栈体积和辅助系统组件，为汽车燃料电池的大规模商业化提供了实用的设计经验。

在氢燃料电池的水和热管理研究中，Michaeld等人[14]提出并在系统和堆栈层面评估了“蒸发冷却”作为液体或空气冷却的替代方案，证明将双极板（BP）和堆栈结构与冷却机制结合可以显著减少堆栈体积并提高温度均匀性。Wang等人[15]通过CFD模拟优化了各种冷却通道几何参数（如槽宽、深度和流动方向），量化了通道尺寸、冷却均匀性、最大温升和压降之间的权衡，并提供了实用的工程建议。Xi等人[16]基于分形理论引入了一种树状冷却流场设计，通过优化冷却通道结构提高了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的温度分布均匀性和冷却能力。Yuqi等人[17]提出了一种新型热管集成双极板设计，通过将热管技术嵌入BP中显著提高了PEMFC的热管理能力。Zhang等人[18]在BP通道表面添加了次级微通道，从而提高了局部热传递性能，降低了PEMFC的整体热管理性能。Zhang等人[19]将微热管阵列集成到PEMFC堆栈中，并通过实验研究了其热管理性能，证明这种方法有效降低了电池温度并提高了性能。Zhu等人[20]比较了不同流场设计的BP的热管理策略，并提出了一种优化结构以改善PEMFC的热性能。

基于上述文献综述，PEMFC的微型化和体积能量密度的提升对于实际应用至关重要，但现有研究主要集中在整个系统或膜电极组件（MEA）上，忽视了双极板（BP）——这一对堆栈体积影响最大的组件。在PEMFC的水和热管理研究中，研究主要关注新型冷却通道结构、热管集成或蒸发冷却，对冷却流场（CFF）配置的探索不足。当前的CFF设计往往模仿自然界，难以制造，而大多数报道的CFF依赖于直接通道或空气冷却——尽管液体冷却具有更好的热调节能力。这一差距凸显了优化BP设计以实现堆栈微型化以及开发可制造的高效率液体冷却CFF的迫切需求，因为现有的努力未能将BP的体积节省潜力与实际的热管理解决方案结合起来。

因此，基于当前的研究现状，本研究创新性地提出了一种嵌入式金属双极板模型，其中气体分布区域采用“晶格”设计，并在内部构建了“半封闭”的冷却流场。我们将ESECFF定义为一种具有两个核心特征的新型冷却流场：（1）“嵌入式集成”（冷却通道嵌入BP基底以减少接触热阻）；（2）“半封闭配置”（冷却通道在三侧部分被BP材料封闭，留有狭窄的开口用于流体循环和压力平衡）。在整个板模型中对这种“半封闭”冷却流场进行了系统的研究。

部分摘录

几何参数

图1展示了从单电池到多电池配置的嵌入式金属双极板（EMBP）和传统金属双极板（TMBP）质子交换膜燃料电池（PEMFC）的模拟演变过程。该图直观反映了两种类型BP在堆栈集成过程中的结构和性能相关性。以三层堆栈配置为例，数据显示EMBP的堆叠高度为3.5 mm

嵌入式PEMFC的性能研究

为了验证所提出的嵌入式金属双极板（EMBP）与嵌入式半封闭冷却流场（ESECFF）的优越性，我们设计了四个对比案例（表7），并保持了一致的实验控制条件：相同的气体分布区结构、逆流反应物气体引入和固定的冷却温度333.15 K。鉴于EMBP固有的非对称通道高度设计，为嵌入式结构建立了两种配置：案例1

结论

基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的三维多相稳态模型，本研究提出了一种新型嵌入式金属双极板（EMBP），该双极板具有晶格分布区域和ESECFF结构。通过对传统金属双极板（TMBP）进行了系统的调查和比较分析，重点关注了温度、氧气浓度、气体分布均匀性、电流密度和能量等关键性能参数

CRediT作者贡献声明

梅晓凯：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、调查、数据整理、概念化。江晓辉：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取。杨曦：项目管理、方法论、正式分析。张勇：撰写——审阅与编辑、正式分析、概念化。陈阳阳：软件、调查。魏一凯：验证、方法论。李卓强：软件、数据整理。田明忠：可视化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了上海市科学技术委员会（资助编号：25DZ3001400、25DZ3001406）的支持。