质子交换膜燃料电池二维变宽度流道优化设计及其质量分布一致性研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板传质效率不足的问题，研究人员创新性提出二维变宽度流道(2D VWC)结构。通过对比传统流道与仿生流道性能，优化模块排布与数量，实现极限电流密度提升9.15%，输出电压提高4.49%，并揭示过渡区对缓解局部浓差极化的作用。该研究为PEMFC流场设计提供了新思路，发表于《Fuel》。

　　

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为清洁能源技术，在解决能源危机和环境污染方面潜力巨大，但其核心部件双极板(BP)的流场设计长期面临传质不均、水管理困难等挑战。传统平行流场易积水，蛇形流场压降大，交指流场虽能提升传质却可能损伤气体扩散层(GDL)。上海某研究团队受鱼类鳍条波形结构启发，提出二维变宽度流道(2D VWC)，通过三维多相等温模型系统研究其性能。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟对比五种流道结构，分析收缩流道性能差异的宽度与交错排布因素；通过优化流道接触面积和模块化排布，结合多物理场耦合分析手段，评估液态水分布、气体对流扩散及电化学反应速率等关键参数。

比较不同流道的传质特性
研究发现2D VWC综合性能最优，其变截面设计使反应气体与电极有效接触面积增加，极限电流密度较波形流道提升9.15%。过渡区域的存在显著缓解局部浓差极化现象。

模块化排布与数量影响
第一类模块排布下流道出口无"水淹"现象，输出电压提升4.49%。但模块过多会导致沿程气体流速降低、压损持续增加，引发局部缺氧。

二维变宽度流场构建
基于优化参数将多组VWC平行排列形成二维变宽度流场(VWFF)，空间分布分析显示该结构能同步改善水分布均匀性与氧传质效率。

结论表明，2D VWC通过仿生变宽度设计平衡了压降与传质效率，模块化排布方案为流场几何设计提供新范式。该研究不仅解决传统流场"水热管理难兼顾"的痛点，更通过仿生学与模块化设计思路，为PEMFC高性能双极板开发奠定理论基础。研究获得上海市启明星计划和博士后科学基金支持，成果对推动燃料电池商业化应用具有重要工程价值。