Structured mesh material with gradient surface wettability for high-power-density proton exchange membrane fuel cells

质子交换膜燃料电池 材料科学 功率密度 润湿 多孔性 复合材料 冷却液 机械工程 功率(物理) 机械 化学工程 燃料电池 工程类 热力学 物理
作者
Guobin Zhang,Zhiguo Qu,Ning Wang,Xueliang Wang,Yuhao Wu,Yun Wang
出处
期刊:International Journal of Green Energy [Taylor & Francis]
卷期号:21 (13): 3001-3009
标识
DOI:10.1080/15435075.2024.2341825
摘要

A compact cell structure is highly desirable for next-generation high-power-density proton exchange membrane (PEM) fuel cell (>9.0 kW L−1). A novel integrated bipolar plate (BP) – gas diffusion layer (GDL) structure utilizing porous material is a promising configuration, which not only improves output power due to the reduced transport resistance but also reduces cell thickness. Herein, we propose a structured mesh material with gradient surface wettability for this cell structure, which is characterized by an ordered skeleton in the three-dimensional (3D) space with high structure design flexibility. It is experimentally found that the structured mesh material shows higher performance than serpentine and parallel flow fields. Meanwhile, 3D modeling work on an automobile fuel cell (cell area: 245.76 cm2) with the distribution zones of dot matrix structure for hydrogen, air and coolant flow, is conducted, and it is found that the structured mesh material effectively decreases the concentration and electric ohmic losses in comparison with the traditional "BP/flow field + GDL" structure, improving power density with uniform distribution characteristics. Moreover, the gradient wettability on the mesh surface helps promote the water detach the GDL and hold the residual liquid water in the top region, optimizing the water management.
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