质子交换膜燃料电池五入口径向流场双极板设计：增强传质性能与电化学表现

本文创新性提出五入口径向流场双极板(FRFF)设计，通过CFD模拟系统分析10种构型，发现分支通道宽度(0.9mm)与肋宽(0.6mm)是关键参数。相比传统蛇形(SPFF)和平行流场(PLFF)，FRFF-09-06构型在0.4V电压下功率密度达0.7526W/cm2，提升35.41%和29.94%，同时显著改善气体分布均匀性与水管理能力，为PEMFC堆叠设计提供新思路。

　　

Highlight

本研究开发了五入口径向流场双极板(FRFF)，通过计算流体力学(CFD)数值模拟系统分析了不同构型的传质特性和输出性能，主要结论如下：

Geometric model description

如图1所示，建立了五入口双极板及其组装模型。该双极板在上下层采用不同入口构型的径向流场设计：阴极侧采用中央圆柱形入口，反应气体通过四角的方形出口排出；阳极侧则采用四个沿周边均匀分布的圆柱形入口，配合矩形出口实现协同供气。

Simulation model verification

虽然CFD模拟能高效预测质子交换膜燃料电池(PEMFC)状态，但需实验验证确保模型可靠性。我们将模拟结果与Zhi等报道的数据进行对比，在1atm和2.7atm两种压力条件下，极化曲线的模拟与实验结果吻合良好（图6），验证了模型的准确性。

Conclusion

1. 1.

   与传统蛇形(SPFF)和平行流场(PLFF)相比，FRFF构型在相同工况下展现出更高的电流密度和功率密度；

2. 2.

   分支通道宽度和肋宽是影响FRFF性能的关键参数，最优构型FRFF-09-06的功率密度较传统设计提升超35%；

3. 3.

   该设计成功解决了径向流场双极板的堆叠难题，为PEMFC高性能设计提供了新范式。