基于双极板流道内非均匀钝体结构提升质子交换膜燃料电池输出性能的机理：流场调控与传质增强

《Renewable Energy》：Mechanism of PEMFC output performance improvement via non-uniform bluff body structures in bipolar plate flow channels: Flow field regulation and mass transfer enhancement

　　

质子交换膜燃料电池（PEMFC）双极板流道内的钝体嵌入可增强对流效应，但其几何构型与排布方式对净输出功率的 collective influence 尚缺乏系统性研究。研究人员创新性揭示了钝体几何形状与尺寸所主导的"流阻-传质增益-净功率"动态平衡机制。更重要的是，该研究阐明了非均匀构型实现流道内沿程差异化传质增强、并提升膜电极（MEA）内多物理场均匀性的核心原理。研究人员系统定量研究了钝体形状、尺寸、密度及分布对电池性能的影响，初步确定了最优几何参数与分布策略。值得注意的是，钝体参数间存在复杂的协同与制约关系，并无简单的统一影响规律。这些发现对于可再生能源制氢应用场景下的PEMFC性能提升具有重要价值。

随着全球能源安全与气候变化挑战日益严峻，可再生能源技术的发展成为推进联合国可持续发展目标的核心路径。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效的清洁可再生能源氢-电转换装置，具有运行温度低、结构紧凑、便携性高、零排放及能量转换效率高等优势，是大规模可再生氢能应用的核心载体。PEMFC的性能直接决定了可再生氢发电系统的能量转换效率、经济性与商业化前景。在PEMFC各组件中，双极板内流道设计是制约其性能的关键因素，因其显著影响反应物传质效率、水排出能力以及电流密度分布的均匀性，最终影响整个可再生氢发电系统的净功率输出与能量利用效率。

目前，提升PEMFC流场水动力学与传质特性可通过多种结构优化策略实现，包括流道截面改型、几何参数调控、挡板/钝体嵌入以及仿生设计等。在流道截面优化方面，研究者评估了30种不同截面几何形状，发现梯形和半椭圆形截面较矩形截面具有更优的功率密度；M形垂直波结构流道可实现阴极催化层更均匀的氧浓度分布；双倒置锥形流道则通过参数优化提升了整体性能。在通道尺寸与排布方面，锥形流场、渐变宽度流场、优化肋排布方案等均显著改善了反应物分布均匀性与水管理能力。在钝体/挡板嵌入方面，圆柱矩阵构型、矩形与三角形流道障碍物、交错式挡板配置以及仿水滴块体等设计，通过延长反应物停留时间、增强向催化层的质量传输、改善阴极氧分布均匀性，实现了功率输出的显著提升。仿生流道设计则从动植物适应自然环境的体结构中获得灵感，如仿生翼型单元、叶脉仿生流场、竹节仿生架构等，均通过优化气体分布与热质管理实现了性能增强。

尽管上述优化策略在提升PEMFC性能方面成效显著，但先进构型往往伴随结构复杂性和巨大压损，阻碍其实际应用。尤为关键的是，虽有诸多研究考察了障碍物布置策略，但综合评估钝体几何形状、尺寸参数、分布密度与均匀性的研究仍然严重匮乏。为此，研究人员开展了本项研究，旨在揭示钝体几何与尺寸主导的"流阻-传质增益-净功率"动态平衡机制，阐明非均匀构型靶向提升流道下游流速、补偿氧耗尽、增强对流传质并同步改善膜电极（MEA）内多物理场均匀性的核心工作原理。

本研究采用三维计算流体动力学（CFD）方法建立PEMFC计算域模型，该计算域涵盖双极板、流道、气体扩散层（GDLs）、催化层（CLs）及质子交换膜。研究人员在基准直流道（记为BB VI）阴极流道壁面嵌入五种不同形状的钝体结构，分别为半圆形（BB I）、梯形（BB II）、三角形（BB III）、矩形（BB IV）和泪滴形（BB V），系统考察结构特征参数对电池输出性能的影响规律。研究涉及的关键技术方法主要包括：基于三维稳态不可压缩Navier-Stokes方程与组分传输方程的多物理场耦合数值模拟；通过SIMPLE算法处理压力-速度耦合；采用有限体积法进行离散求解；运用正交试验设计或参数化扫描策略系统分析钝体形状、高度、宽度、间距及分布模式等多因素交互作用；利用极化曲线、功率密度曲线、氧浓度分布、电流密度分布、压降及净功率输出等多元指标综合评价电池性能；针对非均匀分布策略，设计沿程差异化排布方案以调控局部质量传输特性。

研究首先聚焦于钝体形状的影响。极化曲线作为PEMFC性能的关键指示指标，结果显示：与无钝体的直流道相比，引入钝体可大幅提升燃料电池的能量输出。在0.4 V电池电压下，BB I至BB VI构型的电流密度分别为1.3783、1.3754、1.3750、1.3759、1.3766和1.3261 A/cm²。BB I（半圆形）和BB V（泪滴形）表现出更优的极化行为，表明流线型钝体结构有利于降低流动损失。尽管不同形状钝体间的性能差异相对有限，但半圆形结构因具有更平滑的过渡特性而被优先考虑用于实际应用。

在尺寸优化方面，研究发现电池性能随钝体尺寸的增大呈现单调增强趋势，但增幅逐渐减缓并趋于稳定。这一规律源于随钝体尺寸增大，流道有效流通截面积减小，局部流速提升促进了对流传质；然而当尺寸过大时，流动阻力急剧增加，压损带来的泵功消耗抵消了部分发电增益，使得净功率提升边际递减。研究人员通过系统参数扫描，确定了兼顾压损与传质增益的最优尺寸区间。

关于分布密度的影响，研究揭示钝体间距存在最优值。过密排布导致连续流动受阻、压损累积；过疏排布则无法形成有效的涡流增强效应。研究结果表明，在中等分布密度下可实现净功率输出最大化，该最优密度与钝体高度、宽度等参数存在耦合关联。

最为关键的是，研究人员深入探究了钝体的非均匀分布策略。基于沿程氧浓度逐渐降低的特征，提出在流道上中下游差异化布置钝体的构型设计：上游稀疏布置以降低入口阻力，中游适度加密以增强传质，下游针对性强化以补偿氧耗尽。该非均匀配置靶向提升流道下游流速，有效补偿了氧浓度衰减，增强了对流传质，同时显著改善了MEA内电流密度、温度、液态水饱和度等多物理场的空间均匀性。定量结果表明，相较于最优均匀分布方案，非均匀构型在净功率输出和多物理场均匀性方面均实现了进一步提升。

综合上述结果，研究初步确定了最优几何参数组合与分布策略，并明确指出钝体各参数间存在复杂的协同与制约关系，不存在简单的单一参数主导规律，必须进行多参数协同优化。

在讨论与结论部分，研究人员系统总结了钝体结构影响PEMFC性能的核心机理：钝体嵌入通过诱导涡流、延长反应物停留时间、破坏边界层发展来强化对流传质，但同时带来额外流阻；性能提升的本质在于"流阻-传质增益-净功率"三者的动态平衡，而非均匀分布策略通过沿程差异化调控，在控制总压损的前提下最大化了传质效率与场均匀性。该研究为双极板流场工程优化提供了新型设计理念与系统性机理解释，对于可再生能源制氢驱动的高性能PEMFC应用具有重要指导价值。