在全球加速能源轉(zhuǎn)型的背景下，中國科學(xué)院廣州能源研究所聯(lián)合伊朗阿米爾卡比爾理工大學(xué)在泡沫基流場質(zhì)子交換膜燃料電池研究方面取得進展。

泡沫基流場因其獨特的結(jié)構(gòu)成為提升燃料電池性能的理想選擇（圖1）。這種3D貫通式流場通過無氣體擴散層一體化設(shè)計，可將電堆整體厚度減少15%～20%，大幅提升了體積功率密度；其高達90%以上的孔隙率確保了反應(yīng)物在催化層的均勻分布，有效解決了傳統(tǒng)流場存在的傳質(zhì)不均問題；而且，其獨特的熱傳導(dǎo)特性能夠消除局部熱點，使溫度分布均勻性提升30%。

圖1 本研究燃料電池示意圖：（a）平行蛇形流量分配器PS，（b）泡沫基流量分配器，（c）傳統(tǒng)肋狀/通道燃料電池（左）和泡沫基燃料電池（右）的側(cè)視圖

研究提出了一種基于勢流場解析的功能梯度多孔材料（FGPM）流場系統(tǒng)化設(shè)計方法（圖2）。通過對流場內(nèi)勢流進行數(shù)值求解，獲取關(guān)鍵等勢線分布。將各等勢線均分構(gòu)建流線網(wǎng)格，形成從入口到出口的連續(xù)傳質(zhì)路徑。基于網(wǎng)格單元位置動態(tài)分配孔隙率參數(shù)，確保軸向（流線方向）與徑向（等勢線方向）的梯度連續(xù)性，從而構(gòu)建出具有優(yōu)化傳質(zhì)性能的FGPM流場結(jié)構(gòu)。該設(shè)計方法通過CFD迭代驗證表明，在保持結(jié)構(gòu)強度的同時可實現(xiàn)傳質(zhì)效率40%以上的提升，為高性能燃料電池流場的工程化設(shè)計提供了可靠的技術(shù)方案。

圖2 U型流場的梯度孔隙設(shè)計方法：（a）勢流網(wǎng)格劃分，（b）孔隙率分布，（c）質(zhì)量流量分配

該研究對FGPM流場與傳統(tǒng)4通道平行蛇形流場（4-PS）的性能進行了系統(tǒng)性對比。結(jié)果顯示，在50×50mm2活性面積條件下，F(xiàn)GPM流場展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢。在關(guān)鍵指標(biāo)體積功率密度方面實現(xiàn)了84%的大幅提升；其次，通過創(chuàng)新的無氣體擴散層一體化設(shè)計，成功將電堆總厚度減少了15%，從傳統(tǒng)設(shè)計的3.75mm降低至3.2mm；在1A/cm2的典型工作電流密度下，F(xiàn)GPM流場使電池的輸出功率提升了57%，這一提升幅度遠超預(yù)期。這為解決燃料電池在高功率輸出時的性能衰減問題提供了新的技術(shù)路徑。

研究特別揭示了兩種典型配置下的性能差異。（1）具有微孔層的薄型膜電極配置下，傳統(tǒng)4-PS和新型FGPM燃料電池的性能均有所提升，然而FGPM流場的體積功率密度比傳統(tǒng)4-PS設(shè)計提升了84%；（2）無微孔層的厚型膜電極配置下，F(xiàn)GPM流場仍保持了47.8%的性能優(yōu)勢（圖3）。

圖3 不同配置下平行流道和FGPM 流場的燃料電池極化曲線：配置1-base厚型膜電極，配置3-具有MPL的薄型膜電極

相關(guān)研究成果以Application of a foam-based functionally graded porous material flow-distributor to PEM fuel cells為題發(fā)表于Energy。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124230

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