王旭 蒋卓凡

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1 前言

燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料具有的化学能转变为电能的发电装置。其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)因其噪音低、零污染、无腐蚀、寿命长、能量效率高、比功率高、可靠性及维修性好等诸多优点，成为当今各国研究发展并广泛应用的热点。燃料电池在运行期间所消耗的氧化剂（如：氧气）在自然环境中大量存在，并且获取成本较为低廉，储存容易；反应之后的产物以水为主，在保护环境上实现了真正的零污染、零排放。电池工作时，在电池外部供给燃料和氧化剂，电池进行反应，产生电能，原则上只要反应物持续输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。另外质子交换膜燃料电池的工作温度只有70～80 ℃，因此能量转换损失很小，且不会受到热力学中卡诺循环效率的限制，发电效率高达50%以上，能够广泛应用于汽车、船只及航空航天领域。相比于核能的危险性，太阳能的功率密度低，水力和风力受地形的限制，燃料电池的优势可谓得天独厚，因此备受瞩目。

质子交换膜燃料电池的性能受到诸多因素的影响，在电池的设计与性能提升过程中，电池的温度管理和水管理是必不可少的两大考虑因素。为了提高燃料电池的性能，需要将燃料电池的运行温度控制在一定的范围内，并尽可能地保持均匀，因此常常在燃料电池内部设计合适的冷却流道以提升电池的性能。针对此类问题，M. Ghasemi等人基于单电池设计了6种不同类型的冷却流道，用来模拟燃料电池运行时的产热及温度分布[1]。……