仿箭羽流场结构优化提升质子交换膜燃料电池气液传输协同性研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)传统流场设计中传质增强与水管理之间的矛盾，Peiyu Wang团队创新性提出仿箭羽蛇形耦合流道(BIAFSSC)。研究通过多参数协同优化，证实该结构可使氧气分布均匀性提升3.12%，阴极入口液态水积聚显著减少，最优分叉角60°时电流密度较40°提升1.36%。最终提出的组合挡板优化策略使输出电压增加1.77%，实现了传质与排水性能的协同突破。

　　

在碳中和背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放特性成为能源转型的关键技术。然而传统流场设计长期面临"跷跷板困境"——增强气体传质往往导致水管理恶化，而优化排水又可能牺牲反应均匀性。这一矛盾严重制约着燃料电池在新能源汽车和航空航天等领域的应用突破。

山东航空学院飞行学院的研究人员从古代箭羽的流体导向特性中获得灵感，创新设计出仿箭羽蛇形耦合流道(BIAFSSC)。通过系统的三维计算流体力学(CFD)模拟与多物理场耦合分析，研究发现：采用60°分叉角时，交叉流效应使氧气分布均匀性提升3.12%，同时0.8mm子流道宽度设计使压降降低10.32%。更突破性的是，通过重构流道几何形状与减小双极板肋条接触面积，最终输出电压提升1.77%，阴极入口水饱和度显著下降，成功实现传质强化与排水优化的协同提升。相关成果发表在《Fuel》期刊。

研究采用三维非等温两相CFD模型进行流场仿真，通过极化曲线和电化学阻抗谱验证模型可靠性。重点对比了四种流道构型（传统蛇形、交指型及两种新型仿生结构），并建立包含九条平行路径的统一对比体系。通过氧均匀性指数(OUI)和液态水饱和度定量评估性能，最终提出平行四边形组合挡板的创新设计。

【流道类型影响】
仿箭羽结构展现出独特的交叉流效应，子流道内形成的二次流显著改善反应均匀性。与传统蛇形通道相比，在保持低压降特性的同时，OUI提升3.12个百分点。

【气体流向优化】
通过构建四种气流路径模型，发现第三种流向配置能最大限度减少阴极入口积水，这是传统设计中长期存在的"水锁效应"瓶颈的突破。

【几何参数调控】
分叉角60°时获得峰值电流密度，较40°提升1.36%。子流道宽度0.8mm的优化方案实现压降降低10.32%，而OUI仅下降0.21%，揭示出流道设计对传质-能耗平衡的精确调控原理。

【组合挡板创新】
平行四边形挡板设计重构了气液传输路径，输出电压提升1.77%的同时，阴极入口水饱和度下降显著。这种"减接触面积+改流道形态"的双重策略为双极板设计提供新思路。

该研究首次将箭羽的流体动力学特性应用于PEMFC流场设计，建立的"结构参数-操作模式-性能输出"关联模型为燃料电池优化提供量化依据。特别是提出的协同优化准则，解决了传统设计中传质与排水相互制约的难题。研究成果对开发新一代高性能燃料电池流场具有重要指导意义，其仿生学方法也为其他能源器件的传质优化提供了跨学科借鉴。