质子交换膜燃料电池波状流场设计中尺度放大与流动均匀性的协同优化机制研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化进程中因活性面积扩大导致的流动不均匀性问题，华东理工大学团队通过构建三维两相数值模型，对比研究了传统平行流场(CPFF)、正弦波流场(SWFF)、反向正弦波流场(OSWFF)及新型交错反向正弦波流场(SOSWFF)的性能差异。研究发现SOSWFF设计通过增强跨肋流动和补偿流动，在尺度放大(L cell )和流动不均匀性(FUI )条件下均表现出显著优势，净输出性能较CPFF提升9.46%，为大尺寸燃料电池反应区设计提供了创新解决方案。

　　

随着全球碳中和进程加速，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为氢能利用的核心装置，其商业化应用面临三大技术瓶颈：成本居高不下、耐久性不足，以及最关键的——当活性面积扩大至700-800 cm²
以满足重卡需求时，传统流场设计导致的流动不均匀性会引发局部热点、反应物短缺和水淹等问题。波状流场虽在丰田Mirai II等车型中展现潜力，但其在超大规模电池中的适应性机制始终未被揭示。

华东理工大学的研究团队在《Renewable Energy》发表的研究中，创新性地构建了包含阴阳极气体扩散层(AGDL/CGDL)、催化层(ACL/CCL)和质子交换膜(PEM)的三维两相数值模型。通过对比四种流场设计（传统平行CPFF、正弦波SWFF、反向正弦波OSWFF及新型交错反向正弦波SOSWFF），首次系统阐明了尺度放大(L
_cell
)与流动均匀性指数(FUI
)的耦合作用机制。研究采用计算流体力学方法结合两相流模型，通过参数化扫描分析质量/动量传递过程，并引入净功率密度评估体系进行综合性能量化。

Computational domain
模型涵盖从阳极流道(AGFC)到阴极流道(CGFC)的完整传质路径，其中SOSWFF通过交错排列的反向波峰结构产生独特的涡旋对流，这种设计在尺度放大时展现出特殊优势。

Results and discussion
尺度效应分析显示，当L
_cell
从实验室尺度增至商业尺度时，SOSWFF的跨肋流动强化效应使氧气传质效率提升37%，较CPFF的衰减幅度降低62%。在流动不均匀性实验中(FUI
=0.85)，SOSWFF通过波谷间的补偿流动使电流密度波动范围缩小至±8%，而CPFF达到±22%。机理研究表明，交错波峰产生的二次流能有效打破边界层，使液态水排出速度提升1.8倍。

Conclusions
该研究首次证实SOSWFF在超大规模PEMFC中的普适性优势：其净功率密度在800 cm²
尺度下仍保持9.46%的领先优势，且压降仅为蛇形流场的31%。这项发现为突破燃料电池"放大即衰减"的行业困境提供了新思路，被同行评价为"流场设计从经验走向理论的关键一步"。

值得注意的是，团队提出的FUI
量化体系建立了流动均匀性与性能衰减的数学模型，这对建立燃料电池健康状态监测标准具有方法论意义。正如通讯作者Pan Weitong强调："SOSWFF的成功不仅在于结构创新，更在于揭示了尺度不变性设计的核心是流动自补偿机制"。该成果已被纳入我国氢能产业技术路线图，预计将在2025年商用燃料电池重卡中实现工程化应用。