受龟壳启发的质子交换膜燃料电池流场设计及性能评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Turtle-shell-inspired flow field design and performance evaluation of PEMFCs

　　

• 提出了一种龟壳启发的流场设计。
• 通过实验、模拟和可扩展性研究评估了 PEMFC 性能。
• TSFF 增强了传质、水管理能力和输出性能。
• 分析了进气支路数量和方向对 PEMFC 性能的影响。
• 与 CPFF 相比，TSFF-d 方案提高了净功率密度 15.1%。

引言

全球工业化的加速导致化石燃料枯竭，引发能源危机和环境污染，威胁可持续发展 [1], [2]。开发清洁绿色能源已成为全球共识 [3]。目前，全球超过 130 个国家和地区正在追求“碳中和”目标，这使得推广清洁能源和交通电气化变得至关重要 [4], [5]。氢能由于具有高能量密度、可再生性和零碳排放，被视为实现能源转型和“碳中和”目标的关键推动力 [6]。PEMFC 作为高效利用氢的关键技术，具有高功率密度 [7]、低工作温度 [8]、快速启动 [9] 和环保 [10] 等优点。它们在新能源汽车、固定电站、便携式电源和航空航天等领域具有广阔的应用前景，并引起了研究人员的广泛关注 [11], [12]。

PEMFC 的双极板负责气体分配、电流收集和湿热管理。流场的几何结构直接影响反应物分布、传质效率、排水能力和温度特性，从而决定电堆的输出性能、稳定性、寿命 [13], [14], [15]。因此，流场结构的优化（包括通道类型、尺寸和流动方向）长期以来一直是该领域的研究重点 [15], [16], [17]。传统流场包括平行、蛇形、指交和销钉型流场。平行流场压降较低，但可能导致气体分布不均和局部淹没 [18]；蛇形流场排水性能好，但压降高且寄生损失大 [19]；指交流场增强了传质，但可能损坏气体扩散层且容易堵塞；销钉型流场气体分布相对均匀，但缺乏明确的流场，导致形成流动死区 [20]。为解决这些缺点，研究人员提出了在流场内引入扰流器 [21], [22]、采用变截面或波纹通道 [23] 以及优化通道几何参数 [24] 等解决方案。尽管这些方法在一定程度上提高了电堆性能，但现有的改进仍主要局限于传统结构，未能解决反应物均匀分布与湿热管理之间的矛盾 [14]，仍有进一步优化的空间。

在长期进化过程中，自然界发展出了许多高效的流体传输结构，为克服传统流场的缺点提供了新的见解。研究人员探索了各种仿生原型，从植物、动物到自然形态和复合流场。在植物启发流场方面，Zhang 等人 [25] 设计了一种模仿叶脉分布模式的改进仿生流场，发现与平行流场相比，其表现出更高的峰值功率密度和更均匀的气体扩散及氧气浓度分布。Zhao 等人 [26] 基于仙人掌刺的楔形结构设计了一种具有混合润湿性的 3D 流场，排水率、平均氧气质量分数和净功率密度分别提高了 536.94%、11.51% 和 1.73%。除了植物，动物也是广泛的灵感来源。Li 等人 [27] 受鹦鹉螺内部结构的启发，提出了一种仿生流场，在反应物均匀性和排水能力方面优于蛇形流场，峰值功率密度提高了 21.53%。Zhang 等人 [28] 发现，蜂窝流场设计的最大电流密度比平行和蛇形流道分别高出 14.0% 和 10.4%。Wang 等人 [29] 采用仿生鱼骨辅助阴极流场，增强了传质能力和排水效率。此外，鲨鱼皮的减阻特性 [30]、蜂窝结构的高强度、低流体阻力和低淹没风险 [31], [32]、肺的高效气体运输特征 [33] 以及呼吸纤毛的高效定向排水特性 [34] 也已被应用于流场设计，均在不同程度上取得了性能提升。

除了受植物和动物启发的仿生流场，对自然和复合流场的研究也越来越多样化。Xia 等人 [35] 通过结合水滴、鸟类形态和叶脉分枝设计了一种复合仿生流场。研究表明，当分支数量为 10 时，与传统蛇形流场相比，最大输出功率提高了 8.475%，反应物和电流密度分布更均匀。Sevinc 等人 [36] 提出了五种仿生流场：脑细胞、淋巴、雪花、树叶、银河，并总结了这些流场在温度分布、反应物分布和净功率密度方面的差异。Fan 等人 [37] 将蜘蛛网形态融入交织流场设计中，通过优化主入口通道和分支数量，压降降低了 13.94%，氧气扩散效率提高了 5.58%。Ghanbari 等人 [38] 受肺结构启发，设计了一种新型波浪形肺蛇流场。通过诱导流体混合，显著增强了横向和纵向传质能力，从而提高了功率输出和水管理能力。

现有研究表明，与传统流场相比，仿生流场在促进反应气体均匀分布 [23], [25]、加速排水 [34], [39] 以及提高传质能力 [38] 和功率密度 [31] 方面具有优势。然而，大多数仿生流场研究采用规则的周期性排列，而对不规则仿生构型的研究仍有限。此外，仿生结构仍存在性能瓶颈。例如，在模仿叶脉的树状无环分支结构中，淹没或节点堵塞容易导致下游分支气体饥饿；在蜂窝启发流场中，规则的六边形通道倾向于形成平行直通流路。一方面，局部积水导致气流偏向阻力较低的通道，形成流动死区。另一方面，气体主要沿面内方向有序流动，穿面流动很少，这往往导致传质效率低。

此外，传统蜂窝启发流场和网格流场基于规则、均匀和周期性单元排列的核心设计逻辑，所有流场单元大小相同，流道连接处的角度固定。相比之下，本研究提出的 TSFF 直接汲取龟壳图案生物力学演化的设计灵感，采用不规则、非均匀且左右对称的仿生排列，每一侧的流场由六边形、五边形和四边形等各种不规则多边形组成，流场单元的大小和流道交叉的角度随流动方向和空间位置而变化。这种不规则的龟壳启发仿生结构的优点在于它破坏了流体沿通道内固定路径流动的规律性。它主动引导流体产生横向和纵向流动，迫使气体在多个方向上充分混合 [40]，从而在气体分布均匀性和增强传质方面表现出显著优势。此外，目前关于流场结构优化的研究很少关注 PEMFC 内穿面方向的传质能力以及水分分布。很少有工作结合电化学动力学、流体动力学和传热进行综合分析。因此，本研究聚焦于 TSFF。在创新层面，集中在以下四个核心方向：

1. 提出了一种新型 TSFF，以克服蜂窝等规则仿生结构的局限性。与传统设计因流道周期性排列而容易形成流动死区不同，该结构利用几何不规则性破坏流动模式，从而促进流体重新分布并增强混合。该设计为优化传质和提高气体分布均匀性提供了一种新方法。
2. 建立了一个综合研究框架，整合了流场设计、模型验证、数值模拟、物理制造和实验性能测试。进行了多物理场分析，确保了分析的全面性和深度，并验证了 TSFF 结构设计的合理性和工程可行性。
3. 本研究阐明了 TSFF 通过 XZ 平面和 Y 方向的多路径流动增强传质性能的机制，并调查了进气支路数量和进气方向对电堆性能的影响。这种多角度的分析为不规则仿生流场结构与多方向传质过程之间耦合提供了更深入的见解。
4. 研究了大有效面积下各种流场的可扩展性。建立了大区域 PEMFC 的几何模型，并在输出性能、物质运输和湿热分布方面进行了敏感性分析。调查了大区域流场对整体性能的影响，并验证了 TSFF 设计的可扩展性和工程应用潜力。

在本研究中，建立了一个三维、稳态、非等温 PEMFC 数值模型，并构建了测试台架以测试和验证计算模型的准确性。其次，利用电化学、流体力学和传热学理论方法，我们选择了电流密度、压降、净功率密度、气体流速、氧气分布特性、液态水含量和温度等关键性能指标，然后系统地评估了带有 TSFF 的 PEMFC 的综合性能，并与 CPFF 和 HCFF 进行了对比分析。最后，本研究系统地调查了 TSFF 中进气支路数量（双支路和三支路构型）和进气气流方向（X 轴、Y 轴和 Z 轴）对电堆性能的影响，深入分析了它们对流场内反应气体分布、排水效率、温度均匀性、传质能力和输出性能的影响。本研究旨在探索龟壳结构在 PEMFC 流场设计中的应用潜力，为高性能流场的开发提供新的见解。

章节片段

几何模型

图 1 展示了基于两种不同设计理念的六种流场几何模型。第一类是由市场上广泛使用的传统平行流场（CPFF，案例 1）组成。第二类是由基于晶格的仿生流场组成，包括类似龟壳结构的六边形蜂窝仿生流场（HCFF，案例 2），以及四种提出的非均匀分布、不规则龟壳仿生流场结构（TSFF，案例 3–6）。

极化曲线和功率密度

极化曲线和功率密度曲线是表征电池输出性能的关键指标 [5], [34]。图 5a 展示了 PEMFC 在六种不同条件下的极化行为和功率密度特性。在低电流密度区域（0–0.3 A/cm2），各案例之间的电压和功率密度差异很小，表明活化极化对性能的影响趋于一致。然而，在中...

结论与展望

本研究提出了一种受自然界高效流体结构启发的异质龟壳流场结构。它系统地比较了 CPFF、HCFF 和 TSFF 对 PEMFC 性能的影响。本研究的主要发现总结如下：

1. 与 CPFF 和 HCFF 相比，TSFF 表现出最佳的整体性能。具体而言，具有 Y 方向进气口的三支路龟壳启发流场（TSFF-d，案例 6）实现了 0.950 W/cm2 的最大净功率密度。

CRediT 作者贡献声明

左青松：撰写 - 原稿、监督、资金获取、形式分析。李岩：撰写 - 审阅与编辑、撰写 - 原稿、验证、软件。梁辰：形式分析。王广源：撰写 - 审阅与编辑。何维彪：撰写 - 审阅与编辑。李夏：形式分析。赵荣国：形式分析。

魏陈：监督指导、资源提供、资金获取、正式分析。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到以下项目资助：国家自然科学基金项目（52076184）、湖南省自然科学基金项目（2023JJ10042）、广西科技创新重大专项（GuikeAA24206057）、湖南省教育厅科学研究基金项目（24B0156）、中国博士后科学基金（2023MD734160）、湖南省研究生创新基金以及湘潭大学创新基金
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