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質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 流場設計與評估

為了解決Mirai Toyota的問題，作者梅傑 這樣論述：

在燃料電池系統中擾流是一種重要指標對流場分析是項關鍵技術。金屬泡棉與織網結構比起已存在直行或蛇行流道被認為能有效的解決既有問題，在此研究中金屬泡棉、鰭片網及平織網結構將被共同討論以最佳化燃料電池流場。單電池研究中這些設計將與三蛇行石墨板流道比較，在電堆系統中將會與直行流道進行討論。兩種泡棉流道設計（有無既有流道）被研究於解決泡棉結構的存在問題－在高濕度及高電流負載條件中此結構易於水氾濫，慶幸的是他有高壓力降的優點，發現在加上故有流道時能有效改善水氾濫。流場的分流及擾流壓力降是一個易於觀察的參數然而金屬泡棉及織網結構在此占盡優勢，泡棉甚至有集電的優點 ，雖然在質傳上濃度損失保水最大化使電阻得到

大量下降。在鰭片網結構以陽極與陰極化學計量 1：3 得到最佳表現，在織網結構以陽極與陰極化學計量 1.2：3.5 得到最佳表現由於優異的排水能力，陰極化學計量以定值設定以確保水分的保存後調整幅度3～3.5。在分析阻抗譜時平織網和立體網面遭受到高濃度損失，因此必須降低相對濕度通過增加化學計量排除任何多餘的水在單電池和電堆控制溫度（70-80°C）。 與所有其他情況相比，立體網格和蛇行板顯示出最小的總阻抗，儘管在陽極和陰極化學計量為 1.5：3.6 時，隨著平織網阻抗急劇下降儘管立體網格表現仍然領先但發生了扭曲，溫度升高並沒有帶來阻抗譜的更多改善。在 3 cells 電堆級別結果遵循與單電

池相同的特徵，除了其性能下降到參考以下的金屬泡沫，在電堆平織網被設置在案例 1 和案例 2 中。案例 1 中平織網與直通道集成在一起，案例 2 只有平織網沒有通道。案例 2 在性能上超過了案例 1，這在 1.7 V 恆壓下的 IV 曲線和功率曲線中呈現。性能順序與單電池相同，但金屬泡沫的性能明顯低於所有其他情況由於最小的自由流動區域導致了高壓降。增加的壓降導致水堵塞，從而阻止反應物到達三相邊界層，這會增加濃度和動力損失。石墨和平織網相比後者具有附加成本優勢， 這是因為它雖然用於其他用途但已經在市場上銷售，因此設計利用了現有的產品，細網和金屬泡棉均具有較大的水滴破碎潛力便於除水。 所有這些新的

創新都適用於開放式陰極 PEMFC 因為它使用環境空氣並降低了 BOP，因此目前引起了許多研究人員的興趣， 金屬高多孔性泡棉或通道都需要開放式陰極設計。