在全球加速能源轉(zhuǎn)型的背景下，中國科學院廣州能源研究所聯(lián)合伊朗阿米爾卡比爾理工大學在泡沫基流場質(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(tǒng)流場存在的傳質(zhì)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(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)化設計方法(圖2)。通過對流場內(nèi)勢流進行數(shù)值求解，獲取關鍵等勢線分布。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(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。在關鍵指標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計，成功將電堆總厚度減少了15%，從傳統(tǒng)設計的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(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。