固体氧化物燃料电池堆几何结构与流场优化设计：提升温度与流量均匀性的创新研究

为解决固体氧化物燃料电池(SOFC)堆在高工况下因热膨胀系数失配导致的温度分布不均问题，研究人员通过数值模拟方法系统研究了歧管宽度(6-10 mm)和流场结构(L型流场)对热电分布的影响。结果表明：增大歧管宽度可使流量均匀性提升25.8%，L型流场设计使温度标准差降低29.7%、流量均匀性优化72%，为高功率SOFC堆的工程化设计提供了重要依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源备受关注，而固体氧化物燃料电池(SOFC)作为高效能量转换装置面临严峻挑战。当这些陶瓷基元件在800°C高温下工作时，不同材料间热膨胀系数的微小差异就会引发致命问题——就像玻璃杯突然倒入沸水时的炸裂风险。更棘手的是，堆栈中5-10层电池的叠加会使温度分布不均现象呈指数级放大，导致某些区域过热"早衰"而其他区域却"吃不饱"反应气体。这种"冰火两重天"的困境不仅造成30%以上的性能衰减，更是大规模商用的主要技术壁垒。

中国某国家重点实验室的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表突破性研究，通过建立包含5个单电池的三维模型，首次系统揭示了歧管几何参数与流场构型对SOFC堆热电分布的作用机制。研究采用计算流体力学(CFD)模拟结合电化学耦合模型，重点分析了标准偏差(S)和努塞尔数(Nu)等关键参数。令人振奋的是，当将传统6 mm歧管拓宽至10 mm时，气体分配均匀性提升25.8%；而创新的L型流场设计更实现"双杀"——温度波动降低29.7%的同时，流量均匀性飙升72%，这相当于给燃料电池装上了"智能空调系统"。

【几何结构】通过参数化建模发现，歧管宽度对温度场具有非线性影响。当宽度从6 mm增至8 mm时，端板温差缩小12.3℃，但超过10 mm后改善效果趋于平缓。这种"过犹不及"现象源于流道截面积与压降损失的动态平衡。

【热流分布】温度云图显示，传统U型流场存在明显的"边缘冷岛"效应，第三片电池出现47.8℃的峰值温差。而L型流场通过螺旋式气流组织，使最高温度点向中心移动，形成更均匀的"火山口"式分布。

【电化学性能】极化曲线分析表明，优化后的结构使单电池在0.7V工作电压下电流密度提升15.2%，这主要归功于反应气体在电极表面的覆盖度提高。阻抗谱显示电荷转移电阻(R_ct)降低19.8%，证实了温度均匀性对电化学反应的促进作用。

这项研究的意义不仅在于获得72%的流量均匀性提升纪录，更开创了"几何-流场-热电"协同优化的新范式。特别是L型流场的设计灵感来源于航空发动机冷却技术，其锯齿状流道产生的二次流能有效破坏热边界层，这为开发兆瓦级SOFC堆提供了关键技术支撑。考虑到SOFC系统每提升1%的效率相当于年减排二氧化碳2.3吨，该成果对实现"双碳"目标具有重要战略价值。未来研究可进一步探索三维打印技术在复杂流场成型中的应用，以及多物理场耦合条件下的寿命预测模型。