陷阱/发散流道结构对开放式阴极质子交换膜燃料电池性能的优化机制研究

本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极侧传质效率低的问题，创新性地设计了一种集成陷阱结构的发散式流道。通过建立三维非等温模型，系统研究了陷阱数量(1-6对)和长度(2-14mm)对氧气摩尔浓度分布、压力降及电流密度的影响。结果表明：六对陷阱结构可使反应物浓度提升11%，流阻降低12%，电池效率提高8%，功率密度较基础设计提升9.86%。该研究为高传质效率的阴极流场设计提供了理论依据，发表于《Results in Engineering》。

　　

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效率、零排放等优势被视为新能源技术的核心，但其性能受限于阴极侧氧气传质效率低的关键瓶颈。传统流道设计存在两难困境：增加横向流速可提升催化层(CL)反应物浓度，但会引发过高压力降；而常规发散通道虽能降低流阻，却难以实现反应物均匀分布。如何在不显著增加压降的前提下强化传质，成为突破PEMFC性能天花板的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员创新性地将陷阱结构与发散流道相结合，通过计算流体力学模拟揭示了多陷阱构型对传质过程的调控机制。研究团队建立了包含双极板(BP)、气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)的三维非等温模型，采用COMSOL Multiphysics 5.6软件进行网格独立性验证（67,268个网格单元误差<0.04%）。通过对比传统直流道、基础发散通道及1-6对陷阱改型设计，系统评估了氧气摩尔浓度、膜电流密度、压力降等关键参数。

4.1 陷阱对PEMFC性能的影响
发散通道设计使氧气摩尔浓度提升8.9%，膜电流密度分布均匀性显著改善。陷阱结构产生的局部收缩效应迫使气流改变方向，在陷阱出口形成加速区，将反应物"挤压"进入气体扩散层(GDL)。当电流密度为0.5 A/cm²时，发散通道压力降低于传统设计12%。

4.2 陷阱数量对性能的调控规律
六对陷阱构型展现出最佳综合性能：第六个陷阱使反应物浓度较无陷阱设计(n=0)提升11%，较五陷阱设计(n=5)再提高6%。陷阱数量的增加产生系列收缩-扩张结构，形成多个局部高压区驱动反应物横向扩散。这种"波浪式"传质增强机制使功率密度提升9.86%，同时保持压力降可控。

4.3 接触面积恒定的优化验证
在保持通道-GDL接触面积相同条件下，增加陷阱数量比单纯扩大通道面积更具优势：三陷阱设计使膜电流密度波动幅度降低37%，且压降仅为面积扩大设计的68%。证明陷阱结构通过流场重构而非单纯面积增加来强化传质。

这项研究通过创新性的"发散通道+多陷阱"协同设计，突破了传统流道"传质增强-压增加大"的权衡限制。六对陷阱构型使电池效率提升8%的成果，为下一代高功率密度PEMFC开发提供了新思路。特别值得注意的是，该设计在开放阴极条件下验证了其工程可行性，这对简化燃料电池系统结构、降低制造成本具有重要实践意义。研究揭示的"局部收缩诱导横向流"机制，也可拓展应用于其他涉及多相流强化的能源器件设计领域。