【儀表網 研發快訊】在全球加速能源轉型的背景下，中國科學院廣州能源研究所聯合伊朗阿米爾卡比爾理工大學在泡沫基流場質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構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物在催化層的均勻分布，有效解決了傳統流場存在的傳質不均問題；而且，其獨特的熱傳導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)傳統肋狀/通道燃料電池(左)和泡沫基燃料電池(右)的側視圖
研究提出了一種基于勢流場解析的功能梯度多孔材料(FGPM)流場系統化設計方法(圖2)。通過對流場內勢流進行數值求解，獲取關鍵等勢線分布。將各等勢線均分構建流線網格，形成從入口到出口的連續傳質路徑。基于網格單元位置動態分配孔隙率參數，確保軸向(流線方向)與徑向(等勢線方向)的梯度連續性，從而構建出具有優化傳質性能的FGPM流場結構。該設計方法通過CFD迭代驗證表明，在保持結構強度的同時可實現傳質效率40%以上的提升，為高性能燃料電池流場的工程化設計提供了可靠的技術方案。
圖2 U型流場的梯度孔隙設計方法：(a)勢流網格劃分，(b)孔隙率分布，(c)質量流量分配
該研究對FGPM流場與傳統4通道平行蛇形流場(4-PS)的性能進行了系統性對比。結果顯示，在50×50mm²活性面積條件下，FGPM流場展現出顯著的性能優勢。在關鍵指標體積功率密度方面實現了84%的大幅提升；其次，通過創新的無氣體擴散層一體化設計，成功將電堆總厚度減少了15%，從傳統設計的3.75mm降低至3.2mm；在1A/cm²的典型工作電流密度下，FGPM流場使電池的輸出功率提升了57%，這一提升幅度遠超預期。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4-PS設計提升了84%；(2)無微孔層的厚型膜電極配置下，FGPM流場仍保持了47.8%的性能優勢(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
相關研究成果以Application of a foam-based functionally graded porous material flow-distributor to PEM fuel cells為題發表于Energy。
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