质子交换膜燃料电池双极板仿生共轭双通道蛇形流场设计：三维多物理场模拟与性能优化

【编辑推荐】本文创新性提出仿生共轭双蛇形流场（CBDSF）结构，通过三维多物理场模型验证其相较于传统平行、蛇形和交指流场，在提升氧传输效率（+30.9%）、改善电流密度均匀性及降低液态水浓度（0.0118 Kmol/m3）方面的优势，为质子交换膜燃料电池（PEMFC）流场设计提供新范式。

　　

Highlight
为突破传统流场在气体传输效率与分布均匀性方面的固有缺陷，本研究提出创新性仿生共轭双蛇形流场（Conjugate Bionic Double-Serpentine Flow Field, CBDSF），如图1(a)所示。"共轭"特性体现为双平行蛇形通道的协同拓扑结构，通过仿生几何参数（弯曲数N、倾角A、圆角半径R）优化实现传质强化。

Performance exploration of various types of flow fields
为验证CBDSF的先进性，选取平行流场、蛇形流场和交指流场作为对照。在统一模拟条件下，CBDSF展现出三大优势：①氧传输速度提升30.9%，归因于双通道产生的二次流效应；②电流密度均匀性指数改善22.7%；③在N=5、A=75°、R=0.25 mm最优参数组合下，功率密度提升15.7%而压降仅增加8.2%。

Conclusion
CBDSF通过仿生共轭设计突破传统PEMFC流场局限：1）双通道蛇形拓扑降低流阻，液态水浓度降至0.0118 Kmol/m³；2）倾角与圆角的生物力学优化使氧分布均匀性提升19.3%；3）弯曲数调控实现输出性能与水热管理的平衡，为燃料电池工程化提供新思路。