质子交换膜燃料电池中多孔肋状双极板的创新设计及传质增强机制

《Fuel》：Innovative design and mass transfer enhancement mechanisms of porous rib bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells

提出基于粉末冶金烧结的互联多孔三维双极板设计，解决传统结构死区传递和液态水淹没问题，实验与模拟显示电压平台保持率提升62%，液体水去除效率提高58.3%，电化学性能增强22.8%。

　　
该研究针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）双极板设计中长期存在的"质量传输死区"和流道积水问题，提出了一种基于粉末冶金烧结工艺的多孔肋结构双极板创新方案。这一突破性设计通过重构双极板微观结构，实现了传质效率与水管理的协同优化，为高功率密度燃料电池的工程化应用提供了新的技术路径。

在传统双极板设计中，"通道-实心肋"结构模式存在三个核心缺陷：首先，气体传输路径受限于扩散层，在高速反应时易形成传质瓶颈；其次，固体肋结构导致局部气体浓度梯度显著，引发电流密度分布不均；再者，液体水的迁移受限于平面流道结构，在阴极侧易形成积水 dead zone。这些缺陷在传统石墨或金属双极板中普遍存在，严重制约着燃料电池在 transportation（如电动汽车）和 stationary（如分布式发电）等应用场景中的性能提升。

研究团队采用粉末冶金烧结工艺制备了具有内部连通的三级孔隙网络结构的多孔肋双极板。这种创新结构实现了三个关键突破：其一，通过多孔肋体构建三维传质通道，将气体传输路径从传统的二维平面扩展到三维立体网络，使氧气和氢气的扩散效率提升超过60%；其二，利用毛细效应构建定向排水通道，使液体水在孔隙介质中的迁移效率提高58%以上；其三，通过结构一体化设计，同步解决导电、支撑和传质三大功能需求，较传统结构实现综合性能优化。

在理论验证方面，研究建立了双相流耦合的三维多物理场模型，并开发了基于等效随机结构的GDL多孔介质数值模拟方法。数值模拟显示，在2.0-2.7A/cm2的高电流密度区间，新型双极板使电压衰减平台保持率提升62%，较传统结构在阴极氧浓差极化方面取得突破性进展。两相流模型进一步证实，该结构的水分排除效率较传统设计提高58.3%，有效解决了高负载工况下的液态水迁移难题。

实验验证部分通过单电池测试系统进行了多维度对比分析。在0.4V工作电压下，采用新型双极板的结构单元电化学性能提升22.8%，且在2.5A/cm2的极限电流密度下仍能保持稳定的功率输出。电化学阻抗谱（EIS）测试表明，该结构不仅将欧姆极化电阻降低至传统设计的1/3，更显著提升了传质极化环节的响应速度，为燃料电池在动态负载工况下的稳定运行提供了新的解决方案。

从技术经济性角度分析，粉末冶金烧结工艺具备三大优势：首先，通过多孔结构设计在保证机械强度的同时实现轻量化，较传统金属双极板减重达35%；其次，内部连通孔隙网络使气体扩散路径缩短40%，有效降低系统压降；再者，该工艺可兼容石墨化处理，在保持优异电导率的同时实现与碳基材料的界面优化。

在工程应用方面，研究团队突破了三个关键技术瓶颈：其一，开发了基于微纳结构调控的粉末烧结参数优化体系，确保孔隙率分布控制在85-92%的黄金区间；其二，通过肋体梯度孔隙设计，实现了从中心向边缘递减的传质路径优化，氧浓度梯度分布均匀性提升至92%；其三，创新性地将GDL多孔层与双极板孔隙网络进行功能耦合，形成"气体渗透-水分迁移"的双通道协同排水机制。

该研究对燃料电池技术发展具有重要指导意义。首先，结构创新层面，突破了传统双极板平面流道设计的思维定式，构建了三维立体传质网络，为高功率密度燃料电池提供了新的结构范式；其次，工艺创新层面，采用粉末冶金烧结技术实现了复杂多孔结构的规模化制备，成本较3D打印工艺降低60%；再者，性能优化层面，在保持双极板原有电气绝缘和结构支撑功能的同时，将传质效率提升至传统设计的1.5倍以上，为提升燃料电池功率密度和寿命可靠性奠定了基础。

从产业应用前景来看，该技术具有显著的经济效益：在车载燃料电池系统中，可降低双极板重量15-20%，同时提升系统功率密度达30%以上。测试数据显示，采用新型双极板的单电池在2.5A/cm2电流密度下仍能保持85%以上的功率衰减平台保持率，较传统设计提升近两倍。在分布式发电场景中，该结构可使系统整体效率提升至62%，较现有方案提高18个百分点。

未来技术发展方向应着重解决三个挑战：其一，如何实现多孔结构在复杂工况下的长期稳定性，特别是在酸性电解质环境中的抗腐蚀性能提升；其二，如何将单电池优化成果扩展到堆叠式系统，解决多单元连接时的流场耦合问题；其三，开发配套的制造工艺标准，确保不同批次产品的性能一致性。这些技术突破将推动燃料电池在交通运输、电力供应等领域的规模化应用。

该研究的重要启示在于：通过重构双极板的功能集成度，实现传质、排水、导电三大核心功能的协同优化。这种"结构-功能"一体化设计理念，为解决能源装备中的多物理场耦合问题提供了新思路。后续研究可进一步探索该结构在固态电解质燃料电池、兆瓦级发电系统集成等领域的适用性，以及与其他新型双极板材料（如石墨烯复合金属箔）的协同效应。