金属泡沫流场对质子交换膜燃料电池膜加湿器性能影响的三维两相模拟研究

本研究通过三维两相CFD建模，探究了金属泡沫通道(MFC)对膜基平面加湿器(MPH)性能的优化机制。结果表明：MFC通过消除流道肋条、延长流体停留时间，使温度均匀性指数从0.0635降至0.0079；在恒定孔隙率下，最大孔径（0.75 mm）可降低330%压降，而95%孔隙率设计显著提升效率，为PEMFC加湿系统提供重要优化策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放特性成为研究热点。然而，膜电极水管理始终是制约其性能的关键瓶颈——膜过干会导致质子传导率骤降，过湿则引发"水淹"现象。传统加湿技术如喷雾法能耗高，而旋转焓轮存在机械损耗，膜基平面加湿器(MPH)因其无运动部件、结构紧凑等优势备受关注。但现有MPH仍面临热质传递效率不足、温度分布不均等挑战，亟需创新流场设计。

Shahid Rajaee教师培训大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表最新成果，通过三维两相计算流体动力学(CFD)模型，系统研究了金属泡沫通道(MFC)对MPH性能的调控机制。研究采用多物理场耦合方法，结合两相流模型分析液态水形成过程，通过温度均匀性指数(U_T)和性能系数(COP)等指标定量评估，最终确立孔隙率-孔径协同优化准则。

关键技术包括：1）建立包含干/湿侧流道、膜层的三维MPH-MFC耦合模型；2）采用VOF方法捕捉气液界面；3）通过水回收率(WRR)和压降实验数据验证模型准确性；4）对比分析0.25-0.75 mm孔径及60-95%孔隙率下的传输特性。

模型描述
构建的MPH-MFC模型包含两种流道高度（1/2 mm），通过消除传统流道肋条使膜有效接触面积提升。数值模拟显示，MFC使干侧出口平均流速从0.669 m/s降至0.459 m/s，流体停留时间延长40%，显著增强热质交换。

验证
与Masaeli等实验数据对比显示，WRR预测误差<7%，证实模型可靠性。特别在0.5 g/s湿侧流量下，MFC使WRR提升21.3%，远超传统蛇形流道8.5-20%的改进幅度。

结论
研究揭示：1）MFC通过增强流场扰动使U_T优化至0.0079，较传统MPH提升8倍；2）0.75 mm孔径在保持传质效率同时，将0.25 mm孔径的7.2倍压降降至合理范围；3）95%高孔隙率设计使双流道压降均降低330%，COP提升2.1倍；4）流道高度从2 mm减至1 mm时，WRR仅降低4.7%但压降减少42%，体现工程应用灵活性。

该研究首次实现MPH-MFC系统的多参数协同优化，为PEMFC水热管理提供新思路。特别是提出的"最大孔径-最高孔隙率"设计准则，兼顾传输效率与能耗控制，对开发下一代燃料电池加湿系统具有重要指导价值。M.A. Cheloui等强调，未来可结合梯度孔隙率泡沫进一步探索局部传质强化机制。