基于分形输运特性的仿生叶脉分岔流道质子交换膜燃料电池输出性能研究

本综述系统探讨了仿生叶脉分岔流道（LIBVC）在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的创新设计与优化机制。通过对比传统流道结构（如平行、蛇形、指状及点状流道）与多类型叶脉分岔流道（Type A–G），研究揭示了其在提升气体分布均匀性、降低压降（pressure drop）和改善水管理（water management）方面的显著优势，尤其Type G结构在2 atm下电流密度提升58.9%，并有效抑制局部淹水（flooding），为燃料电池性能优化提供了新策略。

　　

Section snippets

Establishment of single-cell computational domain

如图1所示，本研究提出了一种适用于阴极的叶脉启发分岔流道（LIBVC）结构，该结构从Type D持续优化至Type G。这一创新流道构型灵感来源于天然叶片的脉络结构。反应气体（氢气和空气）通过位于双极板（BP）中心的共用集流腔（类似于叶片的“叶柄”）进入。气体首先流入较宽的主通道，随后逐级分岔为多级次级通道，最终覆盖整个活性区域。气体在流经分岔网络后，通过周边布置的出口通道排出。该设计模拟了叶片中高效、低阻的营养物质输送模式，旨在优化燃料电池中的质量传递过程。

Traditional leaf-inspired bifurcating venation channel

LIBVC结构是仿生学在能源领域成功应用的典范。通过模拟叶脉高效、低阻且分布均匀的输送机制，该设计为解决燃料电池中反应气体分布不均、压降显著以及水管理挑战提供了前景广阔的解决方案。第3.1节构建了四种传统的阴极LIBVC设计，分别命名为Type A、Type B、Type C和Type D，以系统评估其流体动力学特性与电化学性能。

Conclusion

本研究系统探讨了LIBVC结构对燃料电池性能的优化机制。通过创新构型（Type A至Type G）、控制流道/脊宽以及优化进出口布局，研究阐明了流场结构对气体分布、压降特性和水管理的关键影响。具体结论如下：

1. 1.

   Type B由于次级流道流动路径缩短，实现了更高的功率密度输出……