仿生液滴流阻阵列平行流场设计提升质子交换膜燃料电池传质特性与输出性能的三维模拟研究

【编辑推荐】为优化质子交换膜燃料电池(PEMFC)流场设计，研究人员提出仿生液滴流阻阵列平行流场(BD-PFF)，通过三维数值模拟系统研究阻流单元数量(N)、板高度(H)和曲率半径(R)对性能的影响。结果表明：N增加使流道内液态水饱和度降低43.56%，R=0.4 mm时催化层-质子交换膜(CCL-PEM)界面电流密度均匀性达0.98861，为高性能PEMFC流场工程提供新思路。

　　

在全球清洁能源需求激增的背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为氢能高效转换的核心技术，其性能高度依赖于流场设计。传统平行、蛇形等流场结构因传质效率不足限制了实际应用性能，而现有优化方案如复合流道设计、截面形态改造等虽取得进展，仍难以兼顾气体分布均匀性与水热管理效能。受自然界液滴形态启发，上海某高校研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，提出仿生液滴流阻阵列平行流场(BD-PFF)，通过三维数值模拟揭示结构参数对PEMFC性能的调控机制。

研究采用SOLIDWORKS 2022构建三维模型，基于计算流体力学方法系统分析阻流单元数量(N)、板高度(H)、曲率半径(R)对氧气传输、液态水分布及输出性能的影响。通过多参数对比模拟，量化评估流场结构改进对催化层(CCL)反应物供给的增强效果。

阻流单元数量的影响
增加N显著改善氧气分布，使流道内液态水饱和度较传统平行流场(PFF)降低43.56%。当N=5时，高电流密度区输出性能提升最显著，但过度增加N会导致压降增大。

板高度的调控效应
适度增加H至0.6 mm可强化氧传输，但H=0.8 mm时产生类肋板效应，气体扩散层-催化层(CGDL-CCL)界面氧浓度下降9.7%，表明存在最优高度阈值。

曲率半径的优化
R增大增强了对流氧传输，R=0.4 mm时CCL-PEM界面电流密度均匀性达0.98861，但R>0.4 mm会因流速不均导致局部水积聚。

该研究创新性地将生物形态学原理融入流场工程，证实BD-PFF通过诱导二次流和增强对流扩散，可同步优化气体分布与水管理。Weizhi Miao等发现最优参数组合(N=5, H=0.6 mm, R=0.4 mm)使峰值功率密度提升19.8%，为新一代PEMFC流场设计提供理论依据。研究突破传统流场线性优化思路，通过仿生拓扑结构重构实现传质强化的协同效应，对推动氢能装备高性能化具有重要工程价值。基金支持来自上海市启明星计划(24YF2714300)和中国博士后科学基金(GZC20241445)。