通道深度对PEMFC性能的影响：在空气和氧气条件下的比较研究

《Fuel》：Impact of channel depth on PEMFC Performance: A Comparative study under air and oxygen conditions

　　李子航、于瑞娇、杜伟、陈浩、周世豪、叶芳、邓成伟、郭航
北京工业大学机械与能源工程学院热传递与能量转换国家重点实验室，北京100124，中国

**摘要**
氢燃料质子交换膜燃料电池是跨介质设备的理想电源，需要在空气和纯氧两种不同的阴极氧化剂条件下稳定运行，这两种条件具有不同的质量传递特性。本研究实验探讨了通道深度在0.3至0.6毫米范围内的燃料电池在空气和纯氧阴极气氛下的性能和电化学阻抗谱特性，并开发了一个三维两相数值模型以阐明内部质量传递和液态水分布机制。结果表明，增加通道深度会提高质量传递阻力并降低电池性能：与0.3毫米通道深度相比，0.6毫米通道深度在空气气氛下导致峰值功率密度下降了33.6%，在纯氧气氛下下降了19.03%。减少通道深度有助于在空气供给的电池中去除液态水，但在纯氧供给的电池中会在阴极通道出口处导致严重的液态水积聚。本研究揭示了通道深度与阴极氧化剂之间的耦合效应，为跨介质燃料电池的最佳流场设计提供了实验和理论支持。

**引言**
开发清洁和可再生能源对于建立和推进可持续的低碳社会至关重要[1]。尽管锂离子电池[2]和动力电池[3]在新能源领域得到了广泛应用[4]，但氢能源因其清洁性、广泛可用性和长期储存能力而成为推动全球能源转型和低碳发展的核心支柱[5]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种先进的清洁能源设备，使用氢作为其主要燃料来源，具有高能量密度[6]、高效率[7]、快速响应[8]、安静运行[9]、长寿命[10]和零排放[11]的特点，使其成为固定电源系统[12]和交通领域[13]的有前景的能源选择。此外，通过使用纯氧作为氧化剂，PEMFC在独立于空气的环境中，如太空[14]和水下[15]中具有显著的应用潜力。对于涉及跨介质运行条件的应用（例如航天飞机在太空和大气层之间的往返旅行，以及水下车辆在表面航行和水下行驶之间的切换），PEMFC为其能源系统提供了可行的解决方案。在常温室气环境中，PEMFC可以利用空气压缩机为电化学过程提供反应气体。而在独立于空气的环境中，包括外太空和水下应用，机载纯氧储存可以维持PEMFC的连续运行。这要求PEMFC能够在空气和纯氧条件下都能正常工作。

目前，已有大量关于H2-O2和H2-Air两种燃料来源的PEMFC的研究。朱等人[16]发现，PEMFC在空气和纯氧条件下的质量传递特性存在显著差异。在H2-Air燃料模式下，较低的氧气供应会增加浓度极化；而在H2-O2燃料模式下，产生的更多水会增加淹没的风险。由于流场设计在提高质量传递效率和性能方面起着关键作用[17]，可以在不增加加湿器和压缩机等辅助组件的寄生功耗的情况下实现更高的功率密度[18]。因此，预计流道优化将使PEMFC能够在环境空气或纯氧作为氧化剂供应的情况下进行双模式运行[19]。

减小PEMFC的通道尺寸可以降低压力损失[20]，增强燃料和氧化剂的传输[21]，减轻浓度极化的影响，提高电化学反应的效率[22]，并增加电流密度分布的均匀性[23]。此外，较小的通道尺寸有助于清除液态水[24]，这种水质清除能力的提升进而改善了PEMFC的水管理能力。然而，减小通道尺寸需要更多的泵送功率，这可能会降低整个系统的效率[25]。Khazaee等人[26]结合仿真和实验方法发现，当阳极通道深度为1.5毫米时，PEMFC达到最佳性能；而阴极通道深度为1毫米时性能最佳。石等人[27]采用多模型方法优化了PEMFC的组装压力和通道尺寸，并通过计算流体动力学（CFD）建模验证，得到最佳参数为0.6 MPa的压力和0.8毫米的深度。陈等人[28]构建了一个单通道PEMFC模型，并确定在考虑极化曲线、性能分布和电池效率后，最佳通道深度为0.6毫米。杨等人[29]使用遗传算法以输出功率为目标优化了通道深度，发现最佳深度为0.515毫米。Carcadea等人[30]构建了一个多相非等温PEMFC模型，发现减小阴极通道深度可以增加流量，改善氧气扩散和多余液态水的去除，最佳性能出现在0.5毫米深度。韩等人[31]通过参数扫描显示最佳电池性能出现在0.4毫米深度，尽管最高效率出现在0.5毫米。Cooper等人[32]通过实验观察到，当通道深度在0.4–0.45毫米范围内时可以达到峰值净功率密度。Choi等人[33]观察到在蛇形流场中，当通道深度超过0.34毫米时会在通道出口处积累液态水。Kwon等人的研究[34]发现，减小通道尺寸可以缓解PEMFC在从石墨 bipolar 板切换到金属 bipolar 板时的性能下降。在0.3毫米通道深度下，最大电流密度和功率密度比1毫米通道深度高出25%。Arcidea等人[35]使用CFD模拟表明，减小蛇形流场中的通道深度可以增强对流并去除多余液态水，最佳性能出现在0.25毫米深度。

先前使用空气作为阴极氧化剂的研究表明，减小通道深度可以提高性能并有助于去除液态水，最佳深度为0.25毫米。对于使用纯氧的PEMFC，谭等人[36]实验发现，将通道深度增加到4毫米可以有效缓解PEMFC出口反应界面附近反应气体的短缺，从而提高性能。Chang等人[37]比较了使用纯氧在不同通道深度下的PEMFC性能，他们观察到在0.2毫米深度时通道会被液态水堵塞，而将深度增加到0.4毫米可以显著提升功率密度。然而，进一步增加深度会导致性能下降，最佳性能出现在0.4毫米。

总之，PEMFC在H2-O2模式和H2-Air模式下的性能趋势随着通道深度的变化并不会完全相同。能够提高H2-Air PEMFC性能的通道深度可能会导致H2-O2 PEMFC发生淹没。因此，需要全面评估通道深度对使用空气和纯氧时的性能和水管理的影响。在传统的PEMFC应用中，通道设计通常针对单一操作介质（即空气或纯氧）在稳态条件下进行优化，主要关注在固定氧气浓度和反应强度下的优化。相比之下，在实际的跨介质PEMFC应用中，阴极介质在空气和纯氧之间的频繁切换是不可避免的。因此，电压稳定性和介质切换过程中的水淹没风险是决定燃料电池稳定可靠运行的关键动态性能指标，这对通道设计提出了独特而严格的要求。具体来说，通道必须能够适应两种介质之间的巨大变化，而不仅仅是满足单一条件下的需求。本研究关注在空气和纯氧气氛下的稳态性能分析，阐明了通道深度的适应性机制，从而为跨介质PEMFC的发展提供了基本的设计指导。在本研究中，当阴极使用空气和纯氧时，测试了不同通道深度下的PEMFC性能，并使用电化学阻抗谱（EIS）[38]调查了性能变化机制。此外，还构建了一个具有三维结构的二维PEMFC模型，以研究不同通道深度如何影响在空气和纯氧条件下运行的PEMFC内的质量传递。本研究旨在为能够在空气和纯氧条件下高效运行的PEMFC的设计提供见解。通过对通道深度如何影响PEMFC在不同阴极介质条件下的性能和质量传递特性的深入分析，提出了针对此类跨介质应用PEMFC设计的宝贵建议。

**实验设置**
PEMFC测试系统的配置信息如图1(a)所示，包括反应气体的供应、气体加湿和负载测试系统。阴极气体来源包括纯氧和空气。此外，实验系统配置用于监测和调节进气流量、工作温度和工作压力——这些都是PEMFC的关键运行参数。

**计算域**
图2所示的结构是一个单通道PEMFC模型，该模型包括PEM以及对称排列在阴极和阳极两侧的气体通道（CH）、GDL、MPL和CL（OCH、OGDL、OMPL、OCL、HCL、HMPL、HGDL、HCH）。在本研究中，采用了平行多通道流场进行实验测试。由于每个单通道都是独立的，并且具有高度一致的流动特性、质量传递行为和电化学反应规则，因此可以单独分析每个通道。

**极化曲线**
图4比较了在空气和纯氧条件下，通道深度分别为0.3、0.4、0.5和0.6毫米的PEMFC性能。测试结果的不确定性和误差主要来自测试设备的准确性、操作条件波动和环境干扰。小的标准偏差和误差范围证实了实验结果的良好重复性和可靠性，证明了结论的稳定性和稳健性。

**结论**
本研究通过实验和数值方法研究了通道深度和阴极氧化剂类型对跨介质PEMFC性能、质量传递和水分管理的耦合效应。本研究得出以下结论：
(1) 结果表明，增加通道深度会提高质量传递阻力，从而降低PEMFC在空气和纯氧气氛下的性能。在研究的条件下，0.3毫米通道深度实现了最大净功率密度。

**作者贡献声明**
李子航：撰写——原始草案、方法学、调查、正式分析、数据管理。
于瑞娇：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、数据管理。
杜伟：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、概念化。
陈浩：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。
周世豪：撰写——审阅与编辑、方法学、数据管理。
叶芳：撰写——审阅与编辑、监督、方法学。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52506212）和CAS微重力重点实验室启动项目（编号：NML202409）的支持。