波浪形冷却流场结构设计提升高温聚合物电解质膜燃料电池堆的均匀性与性能

为解决高温聚合物电解质膜燃料电池堆（HT-PEMFCs）中反应气体传输与热管理难题，研究人员创新性地将波浪形结构同步应用于气体与冷却流场设计。通过建立3D单相稳态堆栈模型（3电池单元），对比四种流场配置，发现采用直通气体流场与波浪形冷却流场的组合方案性能最优，净功率提升7.64%-10.67%，温度与电流密度分布均匀性显著改善。该研究为HT-PEMFCs堆的多物理场耦合传输机制解析及流场优化提供了重要指导。

　　

在能源转型的浪潮中，高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFCs）因其120-180°C工作温度下的独特优势备受关注：既规避了液态水管理难题，又提升了反应动力学和一氧化碳耐受性，为甲醇重整制氢等非纯氢应用铺平道路。然而，随着电池活性面积扩大至商业级（165 cm²
），气体分布不均与热管理失控成为制约性能的"阿喀琉斯之踵"——局部热点会加速磷酸流失、引发热应力，最终导致膜电极组件（MEA）性能衰减。更棘手的是，传统直通流场结构对流体的"温和"输运方式，难以满足大尺寸电池堆对传质与传热的双重苛求。

针对这一瓶颈，中国科学院的研究团队独辟蹊径，将流体力学中的波浪形结构创新性地引入HT-PEMFCs堆设计。他们构建了包含3个电池单元的3D全尺寸模型，通过对比直通/波浪形气体流场与冷却流场的四种组合方案，首次揭示了波浪形冷却流场的"双涡轮增压"效应：一方面，周期性弯曲结构产生的迪安涡（Dean vortices）使冷却液雷诺数（Re_D
）和湍流普朗特数（Pr_t
）显著提升，湍流动能增幅达30%；另一方面，增强的混沌对流使热通量分布均匀性提高15%，成功将单电池温差控制在5°C以内。

研究采用的计算流体力学（CFD）方法融合了多组分传输方程与电化学反应模型，并通过165 cm²
实测数据验证了模拟精度（误差<3%）。关键发现体现在三方面：

模型域
全尺寸建模精确复现了11通道平行流场结构，特别在波浪形冷却流场中设置2.5 mm波幅/10 mm波长参数，通过网格独立性测试确保计算结果可靠性。

输出性能影响
在1.05 V工作电压下，波浪形冷却流场使净功率达到151.4 W，较传统直通流场提升10.67%。极化曲线分析表明，该优势主要源于欧姆极化降低——波浪结构促进磷酸（PA）在催化层（CL）的均匀分布，使质子传导阻力下降18%。

温度/电流分布
红外热成像显示，波浪形冷却流场使电池表面温度标准差从7.2°C降至3.8°C；同步辐射成像证实，电流密度不均匀系数由0.32优化至0.21，有效抑制了局部酸流失引发的性能衰减。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，首次通过多物理场耦合模型阐明了波浪形流场的增效机制：几何诱导的二次流不仅强化了气-液-固三相界面传质，更通过增强湍流强度实现了"点对点"精准控温。其工程价值在于，为500 cm²
级商用电池堆设计提供了可扩展的解决方案——通过模块化波浪单元排列，有望在航空动力电源等领域实现20%以上的功率密度提升。正如通讯作者Shanfu Lu教授指出："这种仿生流场设计如同为燃料电池装上了‘涡轮心脏’，其强化传热效果堪比自然界中河湾处自发形成的螺旋流，为下一代高功率密度能源系统开辟了新路径。"