质子交换膜燃料电池中具有垂直/横向协同扩展结构的蛇形流场三维数值研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)在高电流密度下传质不足和阴极水淹问题，研究人员创新设计了具有波纹压弯肋面的弯曲蛇形周期扩展结构(BSPES)流场。通过三维数值模型对比不同扩展形状(三角/方形/圆弧)和压弯深度(0.15-0.25 mm)发现，BSPES-T流场使峰值电流密度和功率密度分别提升7.32%和6.32%，0.25 mm压弯深度时进一步提升至8.98%和7.66%，为PEMFC流场设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效率、快速启动和零排放等优势，在交通动力和固定电站领域展现出巨大潜力。然而传统PEMFC在高电流密度运行时，普遍面临反应气体分布不均、阴极水淹和热管理困难等挑战，这些问题严重制约了电池性能的提升。其中，双极板流场结构作为PEMFC的核心组件，其设计直接影响反应物的传质效率、液态水排出能力和热传导性能。

针对这一关键问题，新疆工程学院联合国内科研团队在《Fuel》期刊发表重要研究，通过创新设计弯曲蛇形周期扩展结构(Bending-Staggered Periodic Extended Serpentine, BSPES)流场，系统探究了不同扩展形状(三角形BSPES-T、方形BSPES-S、圆弧形BSPES-R)和压弯深度(0.15-0.25 mm)对PEMFC性能的影响。研究采用三维非等温稳态两相流模型进行数值模拟，结果表明：BSPES流场通过横向扩展结构和垂直波纹压弯肋面的协同作用，显著提升了氧气传输和水管理能力，其中BSPES-T在0.25 mm压弯深度时实现峰值电流密度8.98%和功率密度7.66%的提升，为PEMFC流场优化提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：1) 基于Wang等实验模型建立三维数值验证体系；2) 设计含周期性扩展单元和波纹压弯肋面的BSPES流场结构；3) 采用计算流体力学(CFD)模拟评估气体分布、温度场和压力损失；4) 对比分析传统蛇形流场与三种BSPES构型的极化曲线和功率密度曲线。

几何模型
研究以Wang等的蛇形流场实验数据为基准，构建包含阴极双极板(BP)、气体通道(GC)、气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)的全尺寸模型。BSPES流场创新性地在传统蛇形通道中引入交叉型扩展结构，并在肋面设计周期性波浪下压弯曲，形成垂直/横向协同传质通道。

扩展形状对PEMFC的影响
在0.15 mm压弯深度条件下，三种扩展形状的性能对比显示：BSPES-T的电流密度分布最均匀，阴极GDL界面氧浓度提高12.7%，液态水饱和度降低19.3%。其三角形扩展结构产生的涡流增强了横向混合，而波纹肋面促进垂直方向的水排出。

压弯深度的优化
研究表明压弯深度与垂直传质性能呈正相关，但会增大压降。BSPES-T在0.25 mm深度时达到性能峰值，而BSPES-R在0.20 mm时展现出最佳的压降-性能平衡，验证了扩展形状与压弯参数的耦合效应。

结论与意义
该研究通过多参数优化揭示了BSPES流场的性能增强机制：1) 扩展结构增大有效反应面积，改善氧气传输；2) 波纹肋面产生的周期性压差驱动液态水垂直排出；3) 三角形扩展产生的二次流强化了横向混合。相比传统蛇形流场，BSPES-T使净输出功率提升19.0%，且将氧气不均匀度从0.77降至0.55。这些发现为PEMFC流场设计提供了新范式，特别是对高功率密度燃料电池的开发具有重要指导价值。研究还指出未来可结合3D打印技术实现复杂流场结构的精确制造，进一步推动PEMFC的商业化应用。