质子交换膜燃料电池流道结构优化与性能衰减机制的关联性研究

本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道形状改变影响膜电极组件(MEA)性能衰减机制的科学问题，通过建立三维多物理场模型，系统考察了流道宽度变化对催化剂层(CL)碳腐蚀、Pt溶解沉积及质子交换膜(PEM)降解的影响规律。研究发现1.4mm为性能提升拐点，1.6mm时碳腐蚀速率显著加剧，为PEMFC流道设计提供了重要理论依据。

　　

随着化石能源的过度开发，全球变暖与冰川消融等问题日益严峻。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放、高效率等优势被视为解决能源环境问题的关键技术，但其商业化进程仍受制于高成本与短寿命等瓶颈。尤其令人困扰的是，虽然流道结构优化已被证实能提升PEMFC功率密度，但关于流道几何参数如何影响核心部件膜电极组件(MEA)的衰减机制，学界仍缺乏系统认知。

针对这一科学难题，来自中国的研究团队在《Renewable Energy》发表了创新性研究。该工作首次构建了集成多组分多相流、电化学反应与材料衰减的三维多物理场模型，通过500小时模拟揭示了流道宽度与MEA关键材料（包括催化剂层碳载体、铂颗粒及质子交换膜）退化行为的定量关系。研究发现1.4mm是性能变化的临界点：当流道宽度从0.6mm增至1.0mm时，电池性能提升显著；但超过1.4mm后性能改善速率下降，同时碳腐蚀速率急剧上升。特别值得注意的是，1.6mm宽度下的铂碳比下降幅度比1.2mm工况高出37%，而窄流道(1.2mm)对质子交换膜的机械损伤最小。

关键技术方法包括：1）建立包含CL碳腐蚀、Pt氧化溶解/再沉积、PEM降解的多机制耦合模型；2）采用单域法求解控制方程，避免区域界面边界条件设定；3）设置阴阳极化学计量流比确保O₂供应；4）通过变宽度流道设计(0.6-1.6mm)研究几何参数影响。

【模型和假设】部分显示，该三维模型创新性地将CFD仿真与电化学模型结合，首次同时考虑了Pt/C比变化、离子聚合物降解等微观机制，并通过体积固定原则确保不同流道宽度案例的可比性。

【边界条件】章节阐明，研究者采用阳极/阴极化学计量流比分别为1.5/2.0的进气策略，这种设计既保证反应气体充分供应，又避免了过流导致的电极冲刷损伤。

【结果与讨论】中Fig.8(a)数据表明，流道增宽会加速Pt/C比下降，1.6mm工况下铂颗粒的溶解再沉积导致活性表面积损失达窄流道的2.3倍。而PEM的降解分析揭示，宽流道(>1.4mm)引发的局部压力波动会诱发膜材料微裂纹扩展。

结论部分强调，该研究不仅建立了首个涵盖多衰减机制的PEMFC三维物理模型，更明确了流道宽度对性能与寿命的差异化影响规律：1.2mm流道在维持PEM稳定性方面表现最优，而1.0-1.2mm区间能实现性能与耐久性的最佳平衡。这些发现为下一代燃料电池流场设计提供了关键理论支撑，对推动PEMFC商业化进程具有重要指导价值。研究获湖北省自然科学基金联合基金(2023AFD187)和中国电动汽车产业技术创新战略联盟(ZDD-20230919-129)资助。