新型导流块结构对质子交换膜燃料电池气体流道水传输及性能的优化研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)高电流密度工况下的水淹问题及反应气体传输效率低下的难题，研究人员通过VOF(Volume of Fluid)方法对传统直流道进行导流块结构改进，系统研究了导流块数量、液滴生成位置及气体扩散层(GDL)表面润湿性对水传输动力学的影响。结果表明：优化后的流道通过导流块表面毛细作用使液滴脱离时间缩短至传统流道的25.75%，净功率密度提升3.1%，同时显著改善气体分布均匀性，为PEMFC流场设计提供了新思路。

　　

在追求碳中和的全球背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放、高能量转换效率等优势成为新能源领域的研究热点。然而这个"绿色能源引擎"却长期被两个"卡脖子"问题困扰：高电流密度工作时产生的水淹现象会堵塞气体扩散层(GDL)的微通道，就像给发动机"呛了水"；而反应气体分布不均则导致"局部缺氧"，严重影响输出性能。更棘手的是，现有可视化研究需要定制昂贵的透明双极板，就像给患者做CT时换了人造骨骼，难以真实反映实际工况。

针对这些挑战，海南大学的研究团队在《Fuel》发表了一项突破性研究。他们巧妙地在传统直流道中植入"导流块阵列"，就像在河道中设置智能导流坝，通过计算流体动力学(CFD)中的VOF方法，首次系统解析了导流块数量、液滴位置和GDL润湿性这个"三重奏"如何协同调控水传输交响曲。研究还创新性地模拟了GDL表面不同区域的排水过程，就像为整个燃料电池做了次"全身扫描"。

关键技术方面，研究采用VOF两相流模型捕捉气液界面动态，结合电化学耦合计算，通过控制导流块数量(1-4个)、GDL接触角(80°-140°)等变量，构建了多物理场仿真体系。特别值得注意的是，团队首次对GDL中心线不同区段(前/中/后)及偏离中心线位置进行排水模拟，这种"全息式"分析为实际应用提供了更全面的设计依据。

几何模型
研究对比了传统矩形直流道(1×1×20 mm)与导流块改进流道。改进方案采用交错排列的导流块结构，通过诱导气流扰动产生强制对流，这种设计就像在平静河面投入一排精巧的扰流器，既加速"垃圾"(液滴)清理，又促进"氧气"(反应气体)循环。

结果与讨论
当导流块增至4个且GDL接触角达140°时，改进流道展现出"双管齐下"的优化效果：液滴脱离时间锐减至传统流道的1/4，相当于把排水效率从"自行车"提升到"高铁"水平。更惊喜的是，净功率密度提升3.1%，气体分布均匀性显著改善。研究还发现液滴行为具有"位置依赖性"——偏离中心线的液滴会经历更复杂的旋涡运输，这为GDL全表面水管理提供了精准调控靶点。

结论
该研究突破传统水管理研究聚焦微观排水的局限，首次实现从微观排水到宏观性能的"全链条"优化。导流块产生的毛细作用与强制对流形成"双引擎驱动"，使改进流道同时具备"抽水泵"和"搅拌器"功能。这种设计理念为PEMFC商业化面临的水-气矛盾提供了创新解决方案，其方法论更可拓展至其他涉及两相流的能源器件设计。正如研究者指出，当导流块如"精密齿轮"般协同工作时，燃料电池的"呼吸系统"将变得更加通畅高效。