摘 要：為了明確氫燃料電池極板內(nèi)氣-液流動(dòng)規(guī)律，提高氫燃料電池的輸出性能，優(yōu)化電池輸出特性，設(shè)計(jì)徑向流通蛇形流場(chǎng)方案，仿真分析流場(chǎng)分路和面積對(duì)氣-液傳遞及電池輸出特性的影響。仿真結(jié)果表明：在不同分路數(shù)量的流場(chǎng)中，3條分路的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)水堵塞面積更小，更利于氧氣傳輸，輸出性能更佳，電流輸出范圍比5條分路擴(kuò)寬14.1%，但在電流密度較大時(shí)流場(chǎng)內(nèi)部氣體輸送不及時(shí)，功率輸出受濃差極化電壓的影響較大；流場(chǎng)面積主要影響歐姆控制區(qū)和濃差控制區(qū)，大面積流場(chǎng)在歐姆控制區(qū)輸出性能較好，小面積流場(chǎng)在濃差控制區(qū)輸出性能較好。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；流場(chǎng)設(shè)計(jì)；氣液流動(dòng)；極化特性

中圖分類號(hào)：TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）04-0011-09

引用格式：崔萬鑫， 商顯上，王璐，等.氫燃料電池復(fù)合流場(chǎng)中氣-液傳輸對(duì)極化特性的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（4）：11-19.

CUI Wanxin， SHANG Xianshang， WANG Lu， et al.Effect of gas-liquid transportation on polarization characteristics in hydrogen fuel cell complex flow field［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：11-19.

0 引言

隨著碳排放等環(huán)境問題日益凸顯，燃料電池作為一種新型低碳動(dòng)力裝置，具有零排放、功率高等優(yōu)勢(shì)，在減排脫碳方面發(fā)揮著重要作用。質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cells，PEMFC）技術(shù)雖然在交通、儲(chǔ)能等領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用［1］，但目前PEMFC仍存在電池物理場(chǎng)分布不均、大電流密度下性能易失穩(wěn)、穩(wěn)定輸出范圍小、電池體積比功率低等亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前PEMFC大功率迭代升級(jí)的發(fā)展需求，大功率、長(zhǎng)壽命燃料電池的研究開發(fā)己成為能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)［2］。

氫燃料電池雙極板氣-液相傳輸優(yōu)化是提高功率密度的必然要求，雙極板是燃料電池重要組成部分，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)直接影響電堆的氣-液相傳輸，進(jìn)而決定物質(zhì)傳遞、傳熱、電化學(xué)反應(yīng)等過程［3］。研究表明，作為氣-液傳遞過程的主要場(chǎng)所，流場(chǎng)的長(zhǎng)度、脊槽比和截面形狀對(duì)PEMFC性能具有重要影響［4］。精細(xì)化的流場(chǎng)設(shè)計(jì)可有效改善流場(chǎng)局部壓力，使電池物理場(chǎng)分布更均勻，更利于氣體的擴(kuò)散和水排出［5］。隨著電堆體積比功率的進(jìn)一步提高以及材料和制備技術(shù)的不斷完善，流場(chǎng)肋板可以設(shè)計(jì)得更窄，從而減小單體電池厚度［6］。

目前，燃料電池極板結(jié)構(gòu)多采用平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)等傳統(tǒng)型流場(chǎng)設(shè)計(jì)，其中，蛇形流場(chǎng)應(yīng)用較廣泛，多路蛇形流場(chǎng)能夠有效改善流場(chǎng)內(nèi)壓降和氣體分布均勻性，但由于多流場(chǎng)原因，流場(chǎng)內(nèi)氣體流速不足易造成水淹現(xiàn)象［7］。新興的仿生流場(chǎng)、3D流場(chǎng)等異型流場(chǎng)比傳統(tǒng)型流場(chǎng)具有更加突出的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)：仿生流場(chǎng)設(shè)計(jì)使反應(yīng)物分布更加均勻，獲得更高的輸出功率；3D流場(chǎng)采用特殊供氣方式，增強(qiáng)反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的傳質(zhì)效果，有效減小電池的濃差極化損失；但仿生流場(chǎng)、3D流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本較高。常見的仿生流場(chǎng)有葉形流場(chǎng)、肺形流場(chǎng)、樹形流場(chǎng)［8］。Damian-Ascencio等［9］研究表明，流場(chǎng)中樹狀二級(jí)分叉型結(jié)構(gòu)能夠有效去除陰極流場(chǎng)中的液態(tài)水，使電堆產(chǎn)生更高的輸出功率；Badduri等［10］對(duì)三蛇形、肺形和葉形流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)葉形流場(chǎng)的性能最佳，且葉形流場(chǎng)交指設(shè)計(jì)的電堆凈功率密度比非交指設(shè)計(jì)大5.58%。仿生流場(chǎng)中的多分支結(jié)構(gòu)能使反應(yīng)氣體分布均勻，有利于水的排出［11］；3D流場(chǎng)設(shè)計(jì)多采用特殊的供氣方式，沈俊［12］設(shè)計(jì)了一種內(nèi)有主流場(chǎng)和副流場(chǎng)的3D流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了水氣分離，有效避免了流場(chǎng)內(nèi)的水淹現(xiàn)象。復(fù)雜的3D流場(chǎng)使氣體傳輸不被限制在固定的流場(chǎng)中，相鄰流場(chǎng)之間的氣體交互更自由，增強(qiáng)了反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層的傳質(zhì)效果，可有效減小電池的濃差極化損失［13］。徑向型流場(chǎng)最早由Diethelm ［14］設(shè)計(jì)，解決了燃料電池電堆組裝過程中極板脆弱易斷裂的問題；Cano-Andrade等［15］設(shè)計(jì)的徑向流場(chǎng)，既避免較大壓降又兼具較好的排水性能，并驗(yàn)證了徑向流場(chǎng)可以取代目前使用的傳統(tǒng)流場(chǎng)。隨著極板制造技術(shù)的改進(jìn)，未來異型流場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值潛力巨大。

流場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證氣體分布的均勻性，加強(qiáng)傳質(zhì)效果，提高氣體的利用率，還應(yīng)兼顧良好的水熱管理能力。異型流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)特性優(yōu)化是提高氣體利用率、解決電池物理場(chǎng)均勻性、降低極化損失的有效方法。因此，本文中提出一種兼具蛇形流場(chǎng)與徑向流場(chǎng)特點(diǎn)的復(fù)合流場(chǎng)，建立該流場(chǎng)不同方案的三維模型，將流場(chǎng)分路及面積作為研究關(guān)鍵，分析流場(chǎng)內(nèi)部氣液兩相流狀態(tài)對(duì)電池性能的影響，為提高燃料電池性能和功率密度、推動(dòng)燃料電池技術(shù)的商業(yè)化和規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。

1 模型描述

1.1 幾何模型

結(jié)合蛇形流場(chǎng)特點(diǎn)和徑向流場(chǎng)特殊的供氣方式，采用三維兩相流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法設(shè)計(jì)的復(fù)合式流場(chǎng)流體域模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

氣體流通截面積為1 mm×1 mm，不同方案流場(chǎng)參數(shù)如表1所示。由表1可知：方案 A、B、C分別采用3、4、5條分路徑向流通設(shè)計(jì)，方案 A、D、E為計(jì)算域直徑不同的復(fù)合式流場(chǎng)。

計(jì)算域由流體流場(chǎng)、質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane ，PEM）、催化層（catalytic layer，CL）、氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）組成，計(jì)算域邊界條件及材料屬性如表2、3所示。

1.3 模型驗(yàn)證

基于方案A模型電池進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，創(chuàng)建5種不同網(wǎng)格數(shù)的模型，以輸出電壓為0.3 V時(shí)的電流密度為例，不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算的電流密度與試驗(yàn)結(jié)果（電流密度為1.65 A/cm2）對(duì)比如表4所示，表中相對(duì)誤差為仿真計(jì)算的電流密度與試驗(yàn)結(jié)果的差和試驗(yàn)結(jié)果的比。由表4可知：隨著網(wǎng)格數(shù)增多，電流密度收斂于1.65 A/cm2附近；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為453 456時(shí)，電流密度相對(duì)誤差為0。考慮到模型計(jì)算效率及精度，網(wǎng)格數(shù)選擇453 456。為了驗(yàn)證仿真模型的有效性，建立與 Cheng 等 ［20］相同的平行流場(chǎng)三維模型，邊界條件為：陰、陽(yáng)極入口氣體流速分別為0.5、0.3 m/s，電池溫度為323 K，電池壓力為101.325 kPa，仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖 3所示。由圖3可知：仿真結(jié)果整體略低于試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值解析模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差不超過5%，本文中的模型有效。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)分路數(shù)對(duì)PEMFC性能的影響

2.1.1 復(fù)合式流場(chǎng)傳質(zhì)性能

輸出電壓為0.5 V時(shí)陰極側(cè)GDL-CL交接面處液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。由圖4可知：1）采用蜿蜒的扇形蛇形流場(chǎng)設(shè)計(jì)可以較好地去除液態(tài)水。2）在扇形區(qū)域內(nèi)，由于流場(chǎng)內(nèi)氣流的吹掃作用，流場(chǎng)覆蓋區(qū)域液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)明顯低于雙極板肋下覆蓋區(qū)域。3）由于液態(tài)水毛細(xì)擴(kuò)散特性，在流場(chǎng)末端液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)增大，液態(tài)水傳遞阻力更大，電極中液態(tài)水的輸運(yùn)具有積聚效應(yīng)，容易在靠近電池出口處的電極處積聚，因此，液態(tài)水在電池內(nèi)的傳輸有再分布的特征，電池中心區(qū)域電化學(xué)反應(yīng)更強(qiáng)烈，反應(yīng)產(chǎn)生的水在氣流吹掃下更易在流場(chǎng)末端積聚并排出，使得流場(chǎng)外圍水含量明顯高于中心部位。4）由于流場(chǎng)采用徑向設(shè)計(jì)，整體流場(chǎng)呈現(xiàn)為蜿蜒的扇形蛇形流場(chǎng)，使得氣體流動(dòng)不僅有沿流場(chǎng)的速度分量，還有流向四周的徑向速度分量，可以高效地將肋下部分水分吹掃向外圍相鄰流場(chǎng)，進(jìn)而在一層層的吹掃作用下使液態(tài)水流向最外圍；在相鄰扇形流場(chǎng)的交接處肋下部位，由于兩側(cè)氣體流向相反，使液態(tài)水均向此區(qū)域堆積，氣體難以向CL擴(kuò)散，造成了肋下部位區(qū)域液態(tài)水含量較高；3種流場(chǎng)設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)類似肋下區(qū)域液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)過高的現(xiàn)象均無法避免，由于流場(chǎng)設(shè)計(jì)本身的局限性， 方案C流場(chǎng)肋下區(qū)域面積最大，方案B次之，方案A最小。

輸出電壓為0.5 V時(shí)陰極側(cè)CL電流密度分布如圖5所示。由圖5可知： 3種流場(chǎng)電流密度分布為由中心至四周逐漸下降，且流場(chǎng)覆蓋區(qū)域電流密度高于肋下區(qū)域；由于流場(chǎng)采用徑向流場(chǎng)布置，在流場(chǎng)靠近中心部位流阻更大，更多的氧氣擴(kuò)散至靠近中心部位的催化層，液態(tài)水更少的區(qū)域更有利于氧的擴(kuò)散，其電化學(xué)反應(yīng)更強(qiáng)烈，方案A各區(qū)域電流密度普遍高于方案B、C。

2.1.2 復(fù)合式流場(chǎng)輸出特性

方案A、B、C 3種流場(chǎng)電池的輸出特性曲線如圖6所示。由圖6可知：由于各模型邊界條件及材料配置均一致，所以3種模型受到活化極化影響的差距較小，在活化控制區(qū)域，輸出特性曲線重合度較高，輸出性能差異較??；在歐姆控制區(qū)和濃差控制區(qū)，輸出性能出現(xiàn)差異，輸出電壓相同時(shí)，輸出功率由低到高依次為方案C、B、A；由于方案A各區(qū)域氧氣濃度普遍較高，液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)偏大時(shí)肋下面積更小，方案A流場(chǎng)的輸出性能更優(yōu)，其電流輸出范圍比方案B、C擴(kuò)寬6.5%和14.1%；方案A電池輸出性能在高電流密度時(shí)下降過快，說明此時(shí)電池內(nèi)部物質(zhì)傳輸不及時(shí)，反應(yīng)物濃度變化導(dǎo)致電池濃差極化電壓變大，可通過適當(dāng)減小電池面積進(jìn)行優(yōu)化，以緩解電池在大電流密度時(shí)的反應(yīng)物輸送難度特別是對(duì)流場(chǎng)末端的輸送不及時(shí)現(xiàn)象。

2.2 流場(chǎng)面積對(duì)PEMFC性能的影響

2.2.1 不同面積流場(chǎng)極化特性

由于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性不隨電池面積改變，電池的放大效應(yīng)與其傳質(zhì)特性密切相關(guān)，仿真分析方案A、D、E的輸出特性，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：電池流場(chǎng)面積的改變?cè)斐傻妮敵鲂阅懿町愔饕跉W姆控制區(qū)和濃差控制區(qū)，歐姆控制區(qū)受氫離子傳遞效率的影響，濃差控制區(qū)主要受氣-液傳輸過程的影響；流場(chǎng)面積增大使電池有效輸出范圍變?。灰悦娣e最小的方案E為參考基準(zhǔn)，方案A、D電流輸出范圍降低9.1%和4.7%；輸出電壓為0.7 Ｖ時(shí)，方案A、D較方案E的電流密度增大13.2%和5.5%。原因?yàn)椋毫鲌?chǎng)面積增大，膜內(nèi)的水更充足，氫離子傳遞得到強(qiáng)化，在歐姆控制區(qū)更利于提高電池的輸出性能。

2.2.2 歐姆控制區(qū)對(duì)PEMFC輸出特性的影響

氫離子的傳輸效率影響歐姆控制區(qū)電化學(xué)反應(yīng)效率，氫離子的傳輸很大程度上是由膜內(nèi)水的摩爾分?jǐn)?shù)決定，膜內(nèi)水的摩爾分?jǐn)?shù)越大，氫離子傳輸速率越快，輸出電流密度也就越大。在燃料電池面積放大過程中，電池整體反應(yīng)物進(jìn)料量增加，被帶入的水蒸氣也隨之增加，電池內(nèi)含水量更為充分。3種不同面積電池的膜內(nèi)水的摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖8所示。由圖8可知：大面積電池膜內(nèi)水的摩爾分?jǐn)?shù)明顯更大，有利于提高氫離子的傳遞速率與電池的電流輸出。

2.2.3 濃差控制區(qū)對(duì)PEMFC輸出特性的影響

輸出電壓為0.5 V時(shí)，不同面積電池中CL處電流密度分布如圖9所示，陰極側(cè)CL-GDL交接面處水的摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖10所示。

由圖9可知：隨著電池面積增加，電流密度在外圍顯著下降，說明反應(yīng)物在電池外圍的傳質(zhì)受阻，原因是電極中的液態(tài)水積聚，氧氣向CL處擴(kuò)散的阻力增加。由圖10可知：在CL-GDL交接面處液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)由內(nèi)到外逐漸增加；面積越大的流場(chǎng)外圍水含量越高，這一現(xiàn)象表明液態(tài)水的傳輸與電池的面積緊密相關(guān)。當(dāng)電池面積擴(kuò)大后，對(duì)應(yīng)流場(chǎng)流程變長(zhǎng)，電極中液態(tài)水毛細(xì)擴(kuò)散的距離增加，傳遞阻力變大，排水更加困難，液態(tài)水的積聚更為明顯。輸出電壓為0.5 Ｖ時(shí)，方案D、E較方案A電流密度提高了3.1%和6.3%。面積更大的電池流場(chǎng)外圍液態(tài)水的摩爾分?jǐn)?shù)更大，阻礙反應(yīng)物供給，使外圍流場(chǎng)反應(yīng)效率降低，從而導(dǎo)致電池性能下降。

3 結(jié)論

采用三維兩相流CFD模型，設(shè)計(jì)復(fù)合式流場(chǎng)電池并仿真分析了復(fù)合式流場(chǎng)在氣-液流動(dòng)、極化特性等方面的性能。

1）3種不同分路數(shù)量流場(chǎng)電池中，方案A因水阻塞造成的低效率面積較小，輸出性能最佳，方案 A流場(chǎng)的電流輸出范圍比方案 B、C增大6.5%和14.1%；但由于流場(chǎng)采用徑向設(shè)計(jì)，外圈流場(chǎng)過長(zhǎng)，在電流密度較大時(shí)，對(duì)氣體的輸送能力不足，導(dǎo)致輸出性能受濃差過電壓的影響較大。

2）不同面積流場(chǎng)電池，電池尺寸與電池內(nèi)部的氣-液兩相流傳遞直接相關(guān)，主要影響歐姆控制區(qū)和濃差控制區(qū)；在大面積流場(chǎng)中，由于膜內(nèi)水含量更充分，氫離子傳遞加強(qiáng)，大面積流場(chǎng)性能在歐姆控制區(qū)更佳；但在濃差控制區(qū)，膜內(nèi)水分飽和，大面積流場(chǎng)液態(tài)水在多孔電極內(nèi)積聚反而更嚴(yán)重，阻礙反應(yīng)物供給，導(dǎo)致大面積流場(chǎng)輸出性能下降；方案A、D較方案E電流密度范圍降低9.1%和4.7%。

3）流場(chǎng)末端排水能力不足是電池面積放大過程的共性機(jī)制，是導(dǎo)致流動(dòng)分布不均進(jìn)而導(dǎo)致電池性能下降的直接原因，只有解決電池排水能力與流動(dòng)均布等關(guān)鍵問題，才能實(shí)現(xiàn)燃料電池的大功率發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］ YIN C， GAO Y，LI T，et al. Study of internalmulti-parameter distributions of proton exchange membrane fuel cell with segmented cell device and coupled three-dimensional model［J］.Renewable Energy，2020，147：650-662.

［2］ KANG H C，JUM K M，SOHN Y J. Performance of unit PEM fuel cells with a leaf-vein-simulating flow field-patterned bipolar plate［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（43）：24036-24042.

［3］ PAN W T， CHEN X L， WANG F C，et al. Mass transfer enhancement of PEM fuel cells with optimized flow channel dimensions［J］.International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 46（57）： 29541-29555.

［4］ GNEV T， RGNIER J， TURPIN C.Fuel cell flooding diagnosis based on time-constant spectrum analysis［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2015，41（1）：516-523.

［5］ WAN Z M， QUAN W X，YANG C，et al.Optimal design of a novel M-like channel in bipolar plates of proton exchange membrane fuel cell based on minimum entropy generation［J］.Energy Conversion and Management， 2020，205：112386.

［6］ 吳玲.高性能的新款MIRAI燃料電池堆的研究進(jìn)展［J］.汽車與新動(dòng)力，2021，4（6）：15-19.

［7］ 胡弦.基于VOF模型的PEMFC流道數(shù)值模擬研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2020.

［8］ ZHANG S Y，XU H T，QU Z G，et al.Bio-inspired flow channel designs for proton exchange membrane fuel cells： review［J］.Journal of Power Sources，2022，522：231003.

［9］ DAMIAN-ASCENCIO C E，SALDAA-ROBLES A，HERNANDEZ-GUERRERO A，et al.Numerical modeling of a proton exchange membrane fuel cell with tree-like flow field channels based on an entropy generation analysis［J］.Energy，2017，133： 306-316.

［10］ BADDURI S R，SRINIVASULU G N，RAO S S.Influence of bio-inspired flow channel designs on the performance of a PEM fuel cell［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2020，28（3）：824-831.

［11］ LIAN Y T，XIE Q Z，ZHENG M G. Investigation on the optimal angle of a flow-field design based on the leaf-vein structure for PEMFC［J］.Journal of New Materials for Electrochemical Systems， 2020， 23（4）：262-268.

［12］ 沈俊.基于強(qiáng)化傳質(zhì)的燃料電池流場(chǎng)優(yōu)化及水熱管理研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2018.

［13］ YOSHIDA T，KOJIMA K.MIRAI fuel cell vehicle and progress toward a future hydrogen society［J］.Electrochemical Society Interface，2015，24（2）：45-49.

［14］ DIETHELM R， BRUN J， BARP B. Module for a fuel cell battery：US5270131［P］.1993-12-14.

［15］ CANO-ANDRADE S，HERNANDEZ-GUERRERO A，SPAKOVSKY S C，et al.Current density and polarization curves for radial flow field patterns applied to PEMFCs（proton exchange membrane fuel cells）［J］.Energy，2009， 35（2）：920-927.

［16］ LAPEA-REY N， BLANCO J A，F(xiàn)ERREYRA E，et al.A fuel cell powered unmanned aerial vehicle for low altitude surveillance missions［J］.International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（10）：6926-6940.

［17］ WANG Y，SUN Z Y，YANG L.Enhancement effects of the obstacle arrangement and gradient height distribution in serpentine flow-field on the performances of a PEMFC［J］.Energy Conversion and Management，2022，252：115077.

［18］ XIA L C， XU Q D， HE Q J ，et al.Numerical study of high temperature proton exchange membrane fuel cell （HT-PEMFC） with a focus on rib design［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2021，46（40）：21098-21111.

［19］ PENG Y M，YAN X H，LIN C，et al. Effects of flow field on thermal management in proton exchange membrane fuel cell stacks： a numerical study［J］.International Journal of Energy Research，2021，45（5）：7617-7630.

［20］ CHENG C H， LIN H H， LAI G J.Design for geometric parameters of PEM fuel cell by integrating computational fluid dynamics code with optimization method［J］.Journal of Power Sources，2007，165：803-813.

Effect of gas-liquid transportation on polarization characteristics in

hydrogen fuel cell complex flow field

CUI Wanxin1， SHANG Xianshang1， WANG Lu2， KONG Xiang′an1，

DIAO Yantao3， LI Xinhai1*

1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;

2.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

3.Shandong Heze Huaxing Fuel Injection Equipment Co.， Ltd.， Heze 274000， China

Abstract：In order to clarify the gas-liquid flow law in the plate of hydrogen fuel cell， improve the output performance of hydrogen fuel cell， optimize the output characteristics of the battery from the flow field structure，

the design scheme of radial flow snake flow field is proposed， and the influence of the flow field branch and area on the gas-liquid transfer and the output characteristics of the battery is simulated. The simulation results show that in the flow field with different number of branches， the flow field structure of the 3 branches has smaller water clogging area， which is more conducive to oxygen transportation， and the output performance is better. Compared with the 5 branches， the current output range can be widened by 14.1%. However， when the current density is large， the gas transmission inside the flow field is not timely， and the power output is greatly affected by the concentration polarization voltage. The flow fields area mainly affects the Ohm control region and the concentration control region. The output performance of the large area flow field is better in the Ohm control region， and the output performance of the small area flow field is better in the concentration control region.

Keywords：hydrogen fuel cell; flow field design; gas-liquid flow; polarization characteristics

（責(zé)任編輯：劉麗君）

收稿日期：2024-04-18

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2021QE065）；山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（2022TSGC2041，2023TSGC0855）

第一作者簡(jiǎn)介：崔萬鑫（1999—），男，濟(jì)南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闅淙剂想姵谻FD數(shù)值解析應(yīng)用，E-mail：1325963743@qq.com。

*通信作者簡(jiǎn)介：李新海（1989—），男，濟(jì)南人，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)闅淙剂想姵仉姸严到y(tǒng)及關(guān)鍵部件技術(shù)，E-mail：lixinhai19@sdjzu.edu.cn。