Abstract The performance of proton exchange membrane (PEM) fuel cells is dominated by the interactions of mass transfer and reaction. In this work, these interactions are comprehensively revealed via a “flow field analysis scheme” that combines theoretical analysis and numerical simulation. In this analysis, three operation regimes are proposed given the features of reacting flow: reaction dominated, mass transfer dominated, and axial flow dominated. Based on a detailed study of mass transfer mechanisms, including Taylor dispersion introduced to the gas channel, two dimensionless numbers are further proposed to quantify the transport-reaction interactions inside PEM fuel cells. The modified Damkohler number, defined as the ratio of the reaction rate constant and mass transfer coefficient, clarifies the relative dominance of the external mass transfer and reaction, and its critical value equals 5. Furthermore, a new dimensionless number, β, is defined as the ratio of the characteristic time of mass transfer and that of the axial flow in the gas channel. The combined effects of flow channel configuration and operating parameters affecting the transport-reaction are covered in β number with a threshold of 1. The incoordination of those effects causes starved or excessive flows that impair performance, while a positive and minor deviation from the β threshold is optimum. Adopting three classic flow channel layouts (i.e., parallel, serpentine, and pin-type) as case studies via numerical simulation, the theoretical analysis is further validated and quantified with specific values.

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流道配置和操作条件对 PEM 燃料电池性能的综合影响

摘要 质子交换膜（PEM）燃料电池的性能受传质和反应相互作用的支配。在这项工作中，通过结合理论分析和数值模拟的“流场分析方案”全面揭示了这些相互作用。在该分析中，考虑到反应流的特征，提出了三种操作方式：反应主导、传质主导和轴流主导。基于对传质机制的详细研究，包括引入气体通道的泰勒色散，进一步提出了两个无量纲数来量化 PEM 燃料电池内的传输反应相互作用。修正的 Damkohler 数，定义为反应速率常数与传质系数的比值，阐明了外部传质和反应的相对支配地位，其临界值等于 5。此外，新的无量纲数 β 被定义为传质特征时间与气体通道中轴流特征时间的比值. 影响传输反应的流道配置和操作参数的综合影响包含在阈值为 1 的 β 数中。 这些影响的不协调会导致缺乏或过多的流量，从而损害性能，而与 β 阈值的正和微小偏差是最优的。采用三种经典的流道布局（即平行、蛇形和销式）作为案例研究，通过数值模拟，进一步验证了理论分析并用特定值进行了量化。此外，新的无量纲数 β 被定义为传质特征时间与气体通道中轴流特征时间的比值。影响传输反应的流道配置和操作参数的综合影响包含在阈值为 1 的 β 数中。 这些影响的不协调会导致缺乏或过多的流量，从而损害性能，而与 β 阈值的正和微小偏差是最优的。采用三种经典的流道布局（即平行、蛇形和销式）作为案例研究，通过数值模拟，进一步验证了理论分析并用特定值进行了量化。此外，新的无量纲数 β 被定义为传质特征时间与气体通道中轴向流动特征时间的比值。影响传输反应的流道配置和操作参数的综合影响包含在阈值为 1 的 β 数中。 这些影响的不协调会导致缺乏或过多的流量，从而损害性能，而与 β 阈值的正和微小偏差是最优的。采用三种经典的流道布局（即平行、蛇形和销式）作为案例研究，通过数值模拟，进一步验证了理论分析并用特定值进行了量化。影响传输反应的流道配置和操作参数的综合影响包含在阈值为 1 的 β 数中。 这些影响的不协调会导致缺乏或过多的流量，从而损害性能，而与 β 阈值的正和微小偏差是最优的。采用三种经典的流道布局（即平行、蛇形和销式）作为案例研究，通过数值模拟，进一步验证了理论分析并用特定值进行了量化。影响传输反应的流道配置和操作参数的综合影响包含在阈值为 1 的 β 数中。 这些影响的不协调会导致缺乏或过多的流量，从而损害性能，而与 β 阈值的正和微小偏差是最优的。采用三种经典的流道布局（即平行、蛇形和销式）作为案例研究，通过数值模拟，进一步验证了理论分析并用特定值进行了量化。