PEMFC 氢燃料电池
PEMFC(聚合物电解质燃料电池)氢电池自 1970 年代为太空计划开发以来一直在使用。PEMFC 电池由质子传导聚合物电解质膜组成，利用氢和氧之间的反应将化学能转化为电能。
燃料电池的阳极和阴极由膜隔开，氢气通过带负电的阳极供应，氧气通过带正电的阴极供应。质子流过膜，而电子从阳极流向外部电路中的阴极。这绕过了膜，反应的最终产物是水。
PEMFC 电池已被提议作为一项关键技术，以填补因逐步淘汰化石燃料而造成的能源缺口。它们不产生任何下游碳排放或有害燃烧排放。该技术的利基是移动和小型能源应用。
用技术克服挑战
尽管它们是一种很有前途的替代能量收集技术，但 PEMFC 氢电池仍存在挑战。具体问题包括低功率密度以及膜和通道主体的耐用性。
功率密度问题的解决方案包括通道的空气动力学优化。通过选择合适的运行参数和降低流动阻力，可以提高发电密度。
燃料电池阴极气体扩散层的温度影响功率密度的提高。如果温度梯度过低，则会严重影响燃料电池的启动和膜的耐久性。通过稳定温度梯度，可以通过控制水传输和更快地分配反应物来提高性能。
改善通道的排水也可以提高电池内的功率密度。然而，过大的压力会导致通道变形并影响膜的耐用性，并导致操作密封性。材料上的过度应变使得构建燃料电池堆变得困难。所有这些方面都会显着影响燃料电池可以承受的安全负载的数量。
解决 PEMFC 氢电池设计挑战的新方法
发表在Materials 上的研究使用了一种新颖的方法来解决 PEMFC 氢电池设计中的挑战。波浪正弦流体流动被引入到设计中。波正弦流体流动的主要优点是能够在显着较低的流动压力下工作。
这直接影响材料的应变，减少它们并提高它们的耐用性。在研究中，阳极通道形状是变化的，并分析了变化的影响。
通道上表面的正弦波在几个变体中进行了分析，并与具有恒定尺寸通道的参考单元获得的结果进行了比较，该参考单元具有蛇形排列。
使用刚性板和窄通道，在电池设计中构建了分离器，可控制和改善水流并防止活性交换区域泛滥，与参比电池相比，性能提高了 21%。
在研究中分析了形状变化对低周疲劳和耐久性的影响，以及对温度升高的抵抗力。研究讨论了形状变化对阳极集电体应力和应变场的影响，以及改变上表面通道形状如何影响电流-电压特性曲线并改善它们。
据该研究的作者称，这是由于产生了额外的对流通量。
通过提供额外的高温保护，形状的变化并没有显着改变燃料电池的安全运行时间。这为 PEMFC 电池的安全运行和使用寿命提供了优势。破坏前的循环次数不受设计的显着影响。降低流阻并选择合适的运行参数，将发电密度从 4.7% 提高到 7%。
未来
材料中提出的研究调查了 PEMFC 氢燃料电池中阳极集电体形状的变化如何提高其性能、耐用性和寿命。这项研究将有助于为氢燃料电池设计的未来方向提供信息。
此外，该技术在能源领域的应用将通过提供更可靠的燃料电池而得到改善，这将有助于减少碳排放并弥合因远离化石燃料而造成的能源差距。
