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Design and optimization of a novel composite bionic flow field structure using three-dimensional multiphase computational fluid dynamic method for proton exchange membrane fuel cell

质子交换膜燃料电池 计算流体力学 材料科学 燃料电池 流体力学 复合数 多相流 领域(数学) 机械工程 流量(数学) 计算机科学 机械 化学工程 工程类 化学 复合材料 航空航天工程 物理 数学 生物化学 纯数学
作者
Lei Xia,Zeting Yu,Guoping Xu,Shaobo Ji,Bo Sun
出处
期刊:Energy Conversion and Management [Elsevier BV]
卷期号:247: 114707-114707 被引量:143
标识
DOI:10.1016/j.enconman.2021.114707
摘要

Abstract The flow field structure of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) plays a crucial role in fluid flow, species transport, heat transfer and electrochemical reaction of PEMFC. In this study, an improved leaf vein bionic flow field (LVFF) is designed according to the characteristics of the leaf vein network structure. The flow field structure is optimized with the number of branch channels on one side of the main channel, and a detailed performance study of PEMFC with the LVFF has been conducted by the developed three-dimensional (3-D) multiphase computational fluid dynamic (CFD) model which is verified with the experiment data. It is found that the LVFF has the advantages of lower pressure drop, more uniform reaction gas distribution, and a higher power output compared to the conventional flow field. It is found the LVFF with 10 branch channels (named BC-10) on one side of the main channel has the largest power output, which is increased by 5.894% than the power output of the convention serpentine flow field (CSFF) design. Furthermore, the bionic streamline blocks are placed inside branch channels based on BC-10 configuration to construct a composite bionic flow field (CBFF) by which it seeks the potential to further improve the performance of PEMFC. It is found that the maximum power output of the CBFF is increased by 8.475% than the serpentine flow field’s. In addition, the distribution of reaction gas and current density are found more uniform. The novel composite bionic flow field structure is beneficial to the performance improvement and long-term steady operation of PEMFC.
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