高温质子交换膜燃料电池阴极流场优化设计的三维计算流体动力学研究及其性能影响分析

本研究针对高温质子交换膜燃料电池（HTPEMFC）阴极流场设计难题，通过三维计算流体动力学（CFD）模型系统分析了四种蛇形流场构型对流体动力学（压降）、膜电极组件（MEA）结构完整性和电化学性能的影响。结果表明，六通道蛇形流场（D4）在保证电流密度均匀性（UI>0.95）的同时，将阴极/阳极压降比控制在1±0.2范围内，显著提升了电池性能和耐久性，为高功率密度燃料电池堆设计提供了关键理论支撑。

　　

在能源转型的浪潮中，高温质子交换膜燃料电池（HTPEMFC）因其无需液态水管理、简化电化学反应等优势，成为清洁能源技术的重要选项。然而，阴极流场设计长期面临"三难困境"——如何平衡流体压降、膜电极结构完整性和电流输出性能？传统低温和高温PEMFC研究中，蛇形流道虽能改善反应物分布，但过高的压降会导致膜电极组件（MEA）机械应力剧增，而简单的平行流道又易引发"反应物饥饿"现象。更棘手的是，现有研究多聚焦低温体系，对高温条件下热-流-电多场耦合机制的认识仍存空白。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一项创新研究。该工作基于BASF Celtec? P1100W MEA的商业化参数，建立了包含阴阳极双侧流场的全三维CFD模型，系统对比了四种蛇形流场构型（D1-D4）的性能表现。研究采用有限体积法（FVM）求解耦合的电荷守恒方程、质量-动量传输方程和能量方程，通过Butler-Volmer动力学模型描述电化学反应，并创新性地提出膜完整性指数（MII）量化评估机械应力。

关键方法学
研究团队采用ANSYS? Fluent平台构建高保真模型，通过1）多组分扩散理论计算有效扩散系数D_i^eff；2）孔隙率修正（ε^1.5）处理多孔介质传输；3）二阶稳态求解器耦合压力-速度修正；4）网格独立性验证（380万至850万单元对比）确保结果可靠性。模型校准采用文献[5,21]的极化曲线数据，工作条件设定为160°C、2.0空气化学计量比。

流场构型对比
D1（三通道）设计虽产生最高电流密度（0.52 A/cm²），但其阴极压降达0.26 bar，导致MII局部突破0.8的安全阈值。D4（六通道）通过扩大总流通面积（5.04 mm²）将压降降至0.08 bar，MII全程<0.4，同时电流均匀性指数（UI）提升至0.97。

电化学性能
极化曲线显示，D4在0.5V工作电压下仅比D1损失6%电流输出，但氧浓度分布标准差降低42%。多场耦合分析揭示：D1的高压区（>1.2 atm）虽能短暂提升氧还原反应（ORR）速率，但会导致膜脱水加速，这一发现修正了传统"高压有利"的认知局限。

热管理启示
引入5°C冷却温差的模拟表明，D4构型使电池最高温升控制在8°C以内，显著优于D1的15°C波动。这种均匀的热分布使膜质子传导率（σ_p）稳定在8.65 S/m的设计值附近。

该研究确立了HTPEMFC流场设计的黄金准则：1）阴极/阳极流道截面积比≥3；2）采用多通道蛇形布局（≥6步）控制压降比在1±0.2；3）保持气体流速<2 m/s以确保UI>0.95。这些发现不仅为POR-H2项目的百瓦级电堆研制提供了直接依据，更开创性地将机械完整性指标纳入燃料电池优化框架。未来工作将聚焦集成液冷通道的全堆模型，进一步推动高温燃料电池的商业化进程。