Current collector design for closed-plenum polymer electrolyte membrane fuel cells
Current collector design for closed-plenum polymer electrolyte membrane fuel cells
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封闭增压室聚合物电解质膜燃料电池的集电器设计
DOI：
10.1016/j.jpowsour.2013.10.075
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发表时间：
2014
影响因子：
9.2
通讯作者：
Daniels F
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Daniels F
这项工作提出了一个非等温的，单相的，三维模型的电流收集器的几何形状的影响，在5 cm 2的封闭式充气室聚合物电解质膜（PEM）燃料电池构造使用印刷电路板（PCB）。在这项研究中考虑了两种几何形状：平行槽和圆孔设计。一个计算流体动力学（CFD）软件包被用来占的物种，动量，电荷和膜水分布在每个设计的细胞。该模型表明，对于两种设计，电池在0.45 V下都可以达到0.8 A cm−2-1.2 A cm− 2的高电流密度。结果表明，输运现象显着受流场板的设计。通道开口率的敏感性分析表明，平行槽设计与50%的开口率显示出最有前途的性能，由于更好的物种，热和电荷分布。建模和实验分析证实，溢流会抑制性能，但可以通过将阴极进料的相对湿度降低到50%来将风险降至最低。此外，由于PCB基层的绝缘作用，过热是一个潜在的问题，因此应实施相应的策略以消除其不利影响。
This work presents a non-isothermal, single-phase, three-dimensional model of the effects of current collector geometry in a 5 cm2closed-plenum polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell constructed using printed circuit boards (PCBs). Two geometries were considered in this study: parallel slot and circular hole designs. A computational fluid dynamics (CFD) package was used to account for species, momentum, charge and membrane water distribution within the cell for each design. The model shows that the cell can reach high current densities in the range of 0.8 A cm−2–1.2 A cm−2at 0.45 V for both designs. The results indicate that the transport phenomena are significantly governed by the flow field plate design. A sensitivity analysis on the channel opening ratio shows that the parallel slot design with a 50% opening ratio shows the most promising performance due to better species, heat and charge distribution. Modelling and experimental analysis confirm that flooding inhibits performance, but the risk can be minimised by reducing the relative humidity of the cathode feed to 50%. Moreover, overheating is a potential problem due to the insulating effect of the PCB base layer and as such strategies should be implemented to combat its adverse effects.
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