综述：流场设计对直接甲醇燃料电池性能影响的趋势研究

这篇综述系统阐述了流场（FFs）在直接甲醇燃料电池（DMFC）中的多重作用，包括物质传输分配、产物清除、膜电极组件（MEA）支撑及电/热管理。通过分析平行、蛇形、交指等五种流场构型，揭示了流场几何参数（如肋区面积、流道宽度）对解决阴极 flooding、CO2气泡堆积等关键问题的优化机制，并强调了计算流体力学（CFD）模型在μ-DMFC微型化设计中的前瞻价值。

　　

Abstract

流场（FFs）在直接甲醇燃料电池（DMFC）中扮演着核心角色：从反应物的传输分配、产物清除，到支撑膜电极组件（MEA）、维持电导率和热管理。研究表明，DMFC的功率密度可达≈100–300?mW?cm^?2，但阴极 flooding、CO₂气泡堵塞及传质限制严重制约其性能。通过优化流场几何参数（如肋区占比、流道宽深比），可显著改善上述问题。

流场构型的影响

五种主流流场设计中，蛇形流场通过高气压梯度强制反应物穿透扩散层，有效缓解 flooding；交指流场凭借死端通道设计增强对流传输，但可能增加泵功损耗；仿生流场（如分形结构）则通过多级分支实现更均匀的物质分布。实验数据显示，调整流道宽度从1.0?mm降至0.5?mm可使电流密度提升18%，而肋区面积占比优化至50%时，MEA的机械稳定性最佳。

计算流体力学的价值

CFD模拟揭示了流场中CO₂气泡的聚并行为：在低甲醇浓度（2?M）下，气泡直径多小于200?μm，而高浓度（4?M）时易形成毫米级气泡阻塞流道。通过多物理场耦合模型，研究者成功预测了温度梯度对甲醇渗透率的影响，为μ-DMFC的微型化设计提供理论支撑。

未来展望

面向便携式应用，集成微流控技术的μ-DMFC需平衡流场压降与输出效能。仿生拓扑优化和3D打印技术或将突破传统流场加工精度限制，推动DMFC在医疗设备、可穿戴电子等领域的商业化落地。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。