質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流動(dòng)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)探究

摘要：針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）內(nèi)部燃料分布不均勻以及水管理能力不足導(dǎo)致的性能受限問題，基于海棠葉的葉脈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型仿生流場，采用數(shù)值方法深入研究了其性能。首先，通過觀察海棠葉脈的自然流動(dòng)形態(tài)，設(shè)計(jì)仿生流場；然后，通過數(shù)值模擬對(duì)比分析仿生流場、傳統(tǒng)蛇形流場和平行流場的流場性能；最后，探究極限電流密度、峰值功率密度及內(nèi)部氧氣和電流密度的分布特性。研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的蛇形流場和平行流場相比，仿生流場的壓降更低，催化層氧氣濃度分布更均勻，供氣質(zhì)量更高；相較于平行流場和蛇形流場，仿生流場的電池極限電流密度分別提升了35.42%、6.81%，峰值功率密度分別增加了29.71%、5.22%，且除水能力較平行流場有所提升。該研究為PEMFC流場設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了新思路，對(duì)提升燃料電池的整體性能和效率具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；仿生流場；海棠葉脈；雙極板

中圖分類號(hào)：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202504007 文章編號(hào)：0253-987X（2025）04-0070-11

Biomimetic Design Exploration of Flow Field Structure in Proton Exchange Membrane Fuel Cell Bipolar Plates

SHI Zihang1， YANG Yajing2， WEI Yanju1， ZHANG Chenyang1

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. School of Astronautics Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：In response to performance limitations caused by uneven fuel distribution and inadequate water management capabilities in proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs）， a novel bionic flow field is designed based on the vein structure of begonia leaves， and its performance is systematically investigated through numerical simulation. Firstly， the bionic flow field is developed by mimicking the natural flow patterns of begonia leaf veins. Then， numerical simulation techniques are employed to compare and analyze the flow field performance of the biomimetic flow field， traditional serpentine flow field， and parallel flow field. Finally， the distribution characteristics of limiting current density， peak power density， internal oxygen concentration， and current density are explored. The research results demonstrate that compared to traditional serpentine and parallel flow fields， the biomimetic flow field exhibits lower pressure drop， more uniform oxygen concentration distribution in the catalyst layer， and higher gas supply quality. Furthermore， the biomimetic flow field shows a 35.42% and 6.81% increase in limiting current density， a 29.71% and 5.22% increase in peak power density compared to the parallel and serpentine flow fields， respectively， with improved water retention capabilities compared to the parallel flow field. This research provides a new perspective for optimizing the design of flow fields in PEMFCs， offering significant practical value for enhancing the overall performance and efficiency of fuel cells.

Keywords：proton exchange membrane fuel cell; biomimetic flow field; begonia leaf veins; bipolar plate

近年來，能源消耗量的持續(xù)攀升加劇了環(huán)境污染^［1］。由于擁有較高能量密度和轉(zhuǎn)換效率、體積小、重量輕及快速充能等優(yōu)點(diǎn)^［2-4］，燃料電池已逐漸成為極具潛力的可再生能源裝置。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）內(nèi)部的關(guān)鍵組件，其結(jié)構(gòu)不僅決定了流場的形狀，還負(fù)責(zé)將反應(yīng)氣體高效傳輸至催化層，調(diào)控氣體的分布與流動(dòng)狀態(tài)^［5-6］。

燃料電池傳統(tǒng)流場主要包括平行、蛇形、點(diǎn)狀以及交錯(cuò)4種構(gòu)型^［7］，其中平行和點(diǎn)狀流場壓降較小但容易發(fā)生堵塞，這在一定程度上阻礙了物質(zhì)的傳遞效率^［8］；與平行流場相比，蛇形與交錯(cuò)流場除水能力和電化學(xué)性能明顯提高，但均存在壓降顯著的缺點(diǎn)^［9-10］。目前，對(duì)傳統(tǒng)流場的改進(jìn)思路主要集中在流場結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上^［11-13］，旨在優(yōu)化反應(yīng)氣體的分布狀態(tài)及流動(dòng)路徑。

除了優(yōu)化傳統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)外，還可以運(yùn)用仿生流場的概念來設(shè)計(jì)流場。Kloess等^［14］根據(jù)自然界的葉片設(shè)計(jì)了一款流場，結(jié)果表明：與蛇形和交叉流動(dòng)模式相比，仿生流動(dòng)模式性能更好，壓降最低，物質(zhì)分布非常均勻，功率密度峰值相較于傳統(tǒng)流場提升了30%。Chen等^［15］受葉脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計(jì)了一款仿生流場，相較于傳統(tǒng)平行流場，反應(yīng)物的分布均勻性更好，消耗比更高，歐姆熱生成量更少，且制造成本可控。Kahraman等^［16］遵循穆雷定律設(shè)計(jì)了仿生流場，與標(biāo)準(zhǔn)蛇形設(shè)計(jì)相比，新設(shè)計(jì)的流場在0.4 V工作電壓下，功率提升了42.1%，電流分布均勻性、溫度優(yōu)化分布及有效除水這3方面性能也得到了提升。

上述研究表明：仿葉脈流場可有效提升燃料電池電流密度、功率輸出及穩(wěn)定性，改進(jìn)水傳輸與排除，減少水淹現(xiàn)象。然而，現(xiàn)有設(shè)計(jì)多聚焦于形態(tài)模仿，缺乏對(duì)流動(dòng)特性與性能提升關(guān)聯(lián)的深入分析。本文基于海棠葉脈設(shè)計(jì)新型仿生流場，通過仿真研究其性能，并在相同條件下與平行流場和蛇形流場對(duì)比，分析了仿生流場的優(yōu)勢及流動(dòng)特性對(duì)電化學(xué)性能的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

在漫長的自然選擇和進(jìn)化中，植物葉脈形成了高效且均勻的物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)^［17］，葉片中的導(dǎo)管類似毛細(xì)管，通過毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生毛細(xì)壓力，促進(jìn)水分的被動(dòng)吸收，由于導(dǎo)管內(nèi)水分的內(nèi)聚力小于與管壁的附著力，因此能夠推動(dòng)水分沿葉脈上升，確保葉片得到充足水分；而葉脈中的水分流動(dòng)呈不可壓縮穩(wěn)定層流狀態(tài)，有助于水分高效且均勻地分布到葉片各部分。海棠，因其出色的抗寒、抗旱、抗?jié)场⒖果}堿和抗病蟲能力，成為重點(diǎn)研究對(duì)象，其高效營養(yǎng)運(yùn)輸能力可為流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要啟示。本文采用熒光溶液示蹤法，通過電子顯微鏡觀察海棠葉脈網(wǎng)格中水分分布隨時(shí)間演變的動(dòng)態(tài)過程，如圖1所示，其中白色為熒光溶液流經(jīng)區(qū)域，黑色為其他區(qū)域。

基于觀察到的海棠葉脈流動(dòng)特點(diǎn)，本文在極板設(shè)計(jì)過程中，創(chuàng)新性地采用將流入流道與單元流場相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。具體來說，流入流道的設(shè)計(jì)靈感來源于海棠葉脈結(jié)構(gòu)，而單元流場則借鑒了離散化微脈網(wǎng)格區(qū)域的設(shè)計(jì)思想。

圖2展示了燃料電池仿生流場的極板模型、極板剖面和流體域。圖2（a）為仿葉脈結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板模型。圖2（b）為仿葉脈結(jié)構(gòu)的流場，包括流場入口、流場出口和兩組流道，流場入口設(shè)置在葉柄處，出口設(shè)置在葉尖處，兩組流道對(duì)稱設(shè)置在主脈兩側(cè)，流道包括主流入流道、多個(gè)二級(jí)流入流道、多個(gè)二級(jí)流出流道、主流出流道和若干個(gè)單元流場通道。圖2（c）為兩個(gè)單元間的流道構(gòu)造。圖2（d）為仿生流場流體域與擴(kuò)散層接觸的一面，圖中紅色部分是流道下方流場與擴(kuò)散層被隔開的區(qū)域，藍(lán)色部分是流場與氣體擴(kuò)散層相接觸的區(qū)域。在流場設(shè)計(jì)中，不同的單元流場之間采用并聯(lián)連接方式，每一個(gè)單元的流場入口都通過流入流道與流場入口相連，每一個(gè)單元的流場出口都通過流出流道與流場出口相連。相較于各單元串聯(lián)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)物濃度均勻性更好；同時(shí)，采用逆流模式操作電池，使氧氣和氫氣的入口位于電池對(duì)角線的兩端，既利用了逆流布置的自加濕功能，也進(jìn)一步提升了反應(yīng)物濃度分布的均勻性^［18］。

與PEMFC常用的平行流場和蛇形流場構(gòu)型相比，上述仿生流場構(gòu)型內(nèi)部壓力適中，具有多條流路設(shè)計(jì)，在一定程度上有效解決了平行流場中由于壓差較小而導(dǎo)致的堵塞問題，提高了物質(zhì)傳遞效率，同時(shí)也緩解了蛇形流場中單一流路導(dǎo)致的壓降過大問題。此外，仿生流場獨(dú)特的單元流場并聯(lián)設(shè)計(jì)能夠在理想情況下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的單元化，從而促進(jìn)反應(yīng)物濃度分布更均勻。

通過對(duì)流道進(jìn)行流動(dòng)仿真，不斷優(yōu)化，最終對(duì)仿生流場的結(jié)構(gòu)特征做出如下設(shè)置：①由于入口形狀為矩形，因此流道形狀可近似為一個(gè)細(xì)長四棱錐；②流場入口尺寸和流場面積之間不存在直接關(guān)聯(lián)；③為了簡化流場構(gòu)造，使流場兩側(cè)流動(dòng)對(duì)稱，將二級(jí)流入流道和主流入流道分支角度設(shè)置為45°；④二級(jí)流入流道末端寬度為0.2mm，為了盡可能保證每個(gè)單元流場中的流量相同，將流道兩側(cè)壁面與水平線的夾角設(shè)置為1.6°；⑤將氣體擴(kuò)散層與流體流入通道隔開，為了避免被隔開的部分出現(xiàn)反應(yīng)氣體饑渴區(qū)，留下一條寬為0.2mm的縫隙使氣體與擴(kuò)散層接觸，縫隙與兩側(cè)單元流場的距離保持在0.1mm以上；⑥單元流場輪廓近似于邊長為7mm的菱形，各個(gè)流場輪廓形狀根據(jù)流入流出流道、流場邊緣和單元流場出入口微調(diào)；⑦為了減小流動(dòng)阻力，對(duì)靠近主流出流道的單元流場輪廓適當(dāng)進(jìn)行圓角處理。

PEMFC仿真模型的幾何參數(shù)如表1所示，參考文獻(xiàn)［19-20］選擇合適的擴(kuò)散層厚度、質(zhì)子交換膜厚度及流場高度等參數(shù)，且在建模時(shí)保持不變。

為了更好地評(píng)估葉脈仿生流場燃料電池性能，構(gòu)建實(shí)際工程應(yīng)用中廣泛使用的平行流場和雙通道蛇形流場燃料電池模型用于對(duì)比。圖3（a）和3（b）分別展示了平行流場和雙通道蛇形流場的流體域模型。為使這兩種流場燃料電池中反應(yīng)物與氣體擴(kuò)散層的接觸面積與仿生流場燃料電池一致，平行流場通道寬度統(tǒng)一設(shè)定為1.00mm，通道間距為1.00mm；蛇形流場通道寬度設(shè)為0.80mm，通道間距為0.75mm。 除此之外，其余模型幾何參數(shù)均與葉脈仿生流場燃料電池模型保持一致，以確保對(duì)比的公正性和準(zhǔn)確性。

1.2 數(shù)學(xué)模型

PEMFC在運(yùn)行過程中涉及復(fù)雜的多物理場耦合過程，為了精準(zhǔn)地模擬PEMFC內(nèi)部流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)過程，本節(jié)構(gòu)建三維、穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證。模型涵蓋如下所示的控制方程。

質(zhì)量守恒方程^［21-23］可寫為

（ερ）t+ Δ ·（ερu）=S m （1）

式中：ε為孔隙率；ρ為密度；u為速度；S m 為質(zhì)量源項(xiàng)，為模擬中引入或移除質(zhì)量的速率^［24］，在氣體擴(kuò)散層和流道中S m =0。陽極催化層的質(zhì)量源項(xiàng)S ma 和陰極催化層的質(zhì)量源項(xiàng)S mc 分別表示如下

S ma =－M（ H 2）2Fj a （2）

S mc =M（ H2O ）2F－M（ O 2）4Fj c （3）

式中：下標(biāo) a、c 分別表示陽極和陰極；M（ H 2）、M（ H2O ）、M（ O2 ）分別為氫氣、水蒸氣、氧氣的摩爾質(zhì)量；j為體積電流密度；F為法拉第常數(shù)。

動(dòng)量守恒方程^［21-23］可寫為

（ερu）t+ Δ ·（ερuu）=－ε Δ p+ Δ ·（εμ Δ ·u）+S u （4）

式中：p為流體壓力；μ為流體動(dòng)力黏度；S u 為動(dòng)量源項(xiàng)。氣體流場中S u =0。催化劑層（ CL ）和氣體擴(kuò)散層（ GDL ）的孔隙中，S u ^［24］可由下式表示

S u =－μKεu（5）

式中：K為GDL和CL的滲透率。

能量守恒方程可寫為

（ερcpT）t+ Δ ·（ερcpuT）= Δ ·（λ Δ T）+S Q （6）

式中：cp為比定壓熱容；T為溫度；λ為熱導(dǎo)率； S Q 為能量源項(xiàng)。S Q 表示PEMFC運(yùn)行時(shí)耗散的能量^［24］，涵蓋了歐姆損失、化學(xué)反應(yīng)損失、相變損失和過電位損失等，可由下式表示

S Q =I2R ohm +ηI change +h phase +h reaction （7）

式中：I為電流密度；R ohm 為電池內(nèi)阻；η為過電位；I change 為交換電流密度；h phase 為水的相變熱；h reaction 為化學(xué)反應(yīng)焓。

組分守恒方程可寫為

（ερck）t+ Δ ·（ερuck）= Δ ·（ρD ^eff k Δ ck）+Sk（8）

式中：ck為第k種組分的濃度；D ^eff k為自由流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的有效值；Sk為組分源項(xiàng)。

電荷守恒方程可寫為

Δ ·（σ s" Δ φ s ）+S s =0（9）

Δ ·（σ m" Δ φ m ）+S m =0（10）

式中：σ s 、σ m 分別為固相、膜相電導(dǎo)率；φ s 、φ m 分別為固相、膜相電勢；S s 、S m 分別為固相、膜相電流源項(xiàng)。

交換電流密度是對(duì)陰、陽極化學(xué)反應(yīng)速率的直觀表達(dá)，由于電路中的電子傳導(dǎo)效率以及膜電極組件中的離子傳導(dǎo)效率共同決定了反應(yīng)速率，因此可以由活化過電勢得到交換電流密度。Butler-Volmer方程為電極上的氧化還原反應(yīng)過程以及上述化學(xué)反應(yīng)速率與電位之間的關(guān)系提供了有效數(shù)學(xué)描述，常被用于求解交換電流密度^［25］，可由下式表示

R a =（ξ a j ^ref "a ）c（ H 2）c ^ref （ H 2）^{γ a} （ e ^{α a Fη a /RT}－ e ^{－α c Fη a /RT}）（11）

R c =（ξ c j ^ref "c ）c（ O 2）c ^ref （ O 2）^{γ c} （－ e ^{α a Fη c /RT}+ e ^{－α c Fη c /RT}）（12）

式中：ξ為活化比表面積；j ^ref 為參考交換電流密度；c ^ref （ H 2）、c ^ref （ O 2）、c（ H 2）、c（ O 2）分別為 H 2和 O 2的參考濃度及濃度；γ為濃度指數(shù)；α為電荷傳輸系數(shù)；η為活化過電位；R為理想氣體常數(shù)。

1.3 邊界條件與模型假設(shè)

在相同邊界條件下，對(duì)3種流場的PEMFC進(jìn)行仿真。仿真采用質(zhì)量流量入口和壓力出口設(shè)定，入口流動(dòng)為層流，出口為壓力出口，以確保化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定。離子流僅限于膜電極組件內(nèi)部，外部不穿越邊界。為簡化計(jì)算，膜相電勢設(shè)為0，電子僅在陰陽極外部電流中流動(dòng)；陽極電勢設(shè)為0，陰極電勢為電池電壓；其他壁面采用無滑移邊界條件。燃料電池模型的主要參數(shù)如表2所示。

為了簡化計(jì)算，同時(shí)確保化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定，假設(shè)燃料電池不受外力影響，工作環(huán)境保持穩(wěn)態(tài)；忽略材料性質(zhì)的影響和不可逆損失；氫氣和氧氣均設(shè)為不可壓縮的理想氣體且在PEMFC流道內(nèi)層流流動(dòng)；模擬過程不考慮重力的影響。

1.4 模型驗(yàn)證

為確保所構(gòu)建燃料電池模型的科學(xué)性和可靠性，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了詳盡且嚴(yán)格的驗(yàn)證工作。以湯夢琪等^［26］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)單流道燃料電池模型，模型結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示，具體的幾何參數(shù)如表3所示。

在設(shè)定模型邊界條件時(shí)，嚴(yán)格遵循1.2和1.3節(jié)中確定的源項(xiàng)配置、模型設(shè)定、簡化策略以及網(wǎng)格劃分方案，以確保模型的準(zhǔn)確性和一致性。驗(yàn)證模型所選取的操作參數(shù)、主要物理性質(zhì)參數(shù)及仿真環(huán)境均與既有實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)完全一致。

圖5展示了經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后的數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)［26］實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。可以看出，在低電流密度（小于1.2A·cm^-2）下，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好；但隨著電流密度增大，偏差增大，特別是在高電流密度時(shí)，由于電滲作用，水的生成增加且難以排除，導(dǎo)致“水淹”現(xiàn)象發(fā)生。這是由于當(dāng)前模型未考慮液態(tài)水在氣體擴(kuò)散層中的占比，造成水的狀態(tài)未能被準(zhǔn)確模擬，可能導(dǎo)致低壓條件下的性能被高估。總體來看，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差不超過3.78%，擬合度較好，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

為了驗(yàn)證本文仿生流場模型的網(wǎng)格獨(dú)立性，設(shè)置4種網(wǎng)格劃分方案。根據(jù)模型中質(zhì)子交換膜（PEM）和CL部件的形狀規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，以保證計(jì)算精度和效率。仿生流場的形狀呈現(xiàn)高度復(fù)雜性，故流體域部分采用自由四面體網(wǎng)格劃分以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形態(tài)。GDL需要和氣體流場共享拓?fù)渚W(wǎng)格，因此采取共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格策略使用自由四面體網(wǎng)格劃分。對(duì)于平行流場，由于形狀規(guī)則，不同部件均采用六面體網(wǎng)格劃分。蛇形流場中圓角部分采用自由四面體網(wǎng)格劃分，以適應(yīng)其幾何變化。流體域直通道和其他部件均采用正六面體網(wǎng)格掃掠，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。不同流場結(jié)構(gòu)的PEMFC網(wǎng)格劃分方案見表4。

采用上述4種網(wǎng)格劃分方案對(duì)不同流場的燃料電池進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，在工作電壓0.5V條件下比較電流密度的變化趨勢，如圖6所示。結(jié)果顯示：仿生流場網(wǎng)格數(shù)達(dá)274萬時(shí)，與583萬網(wǎng)格的相對(duì)誤差為0.15%；平行流場網(wǎng)格數(shù)為187萬時(shí)，與385萬網(wǎng)格的誤差為0.99%；蛇形流場網(wǎng)格數(shù)為234萬時(shí)，與477萬網(wǎng)格的誤差僅為0.03%。為兼顧精度和計(jì)算效率，后續(xù)模型計(jì)算均采用方案2。

2 結(jié)果討論

2.1 氧氣流動(dòng)與氧氣濃度的分布

在燃料電池運(yùn)行中，陰極GDL與CL交界面的氧氣濃度分布是影響電化學(xué)反應(yīng)和水生成的關(guān)鍵因素。為確保反應(yīng)高效進(jìn)行，必須將交界面氧氣濃度維持在適當(dāng)且均勻的水平。

圖7給出了工作電壓為0.6V時(shí)，不同流場陰極GDL與CL交界面處的氧氣濃度分布。由圖可見，仿生流場、平行流場和蛇形流場的氧氣濃度峰值分別為4.40、4.03、4.98mol·m^－3，最小值分別為0.46、1.58×10^－3、1.19×10^－2mol·m^－3，仿生流場的氧氣濃度峰值最低，且是唯一未出現(xiàn)氧饑渴區(qū)的。

進(jìn)一步分析仿生流場中的氧氣濃度分布可見，每個(gè)單元流場的入口氧氣濃度較高，出口較低，但遠(yuǎn)離入口區(qū)域濃度仍較高，整體分布較為均勻。流道與反應(yīng)區(qū)隔離使得部分區(qū)域氧氣濃度較低，氧氣分布呈現(xiàn)先骨架化流動(dòng)，再離散區(qū)域擴(kuò)散的特征。相比之下，平行流場在入口及連接流道處氧氣濃度最高，但周圍和中部供氧不足；蛇形流場氧氣濃度差最大，濃度從入口向出口逐漸遞減，梯度明顯。

圖8展示了電壓為0.6V時(shí)，氧氣在陰極流道內(nèi)的流動(dòng)軌跡和速度分布。由圖可見，在仿生流場中，主流道和各二級(jí)流道的流速較高，表明氧氣自進(jìn)入流場后就迅速充滿整個(gè)“骨架”，抵達(dá)每個(gè)單元流場入口，隨后順利進(jìn)入各個(gè)單元流場。不同單元流場之間的流速相近，為氧氣的均勻輸送奠定了基礎(chǔ)。

由圖8還可以看出，在平行流場中，由于中部豎直流道流速較慢，氧氣通量降低，催化層與擴(kuò)散層交界處易形成大面積供氧不足區(qū)域；而在雙通道蛇形流場中，在相同的質(zhì)量流量下，由于全流程僅有兩個(gè)流道，流場流通截面積較小，因此流道中氧氣的流速非常高，展現(xiàn)出良好的氧氣運(yùn)輸能力。

為了評(píng)估燃料電池反應(yīng)物及電流密度在陰極側(cè)擴(kuò)散層與催化層交界面中分布的均勻性，引入面加權(quán)均勻度指數(shù)^［27］，可寫為

ω a =1－∑ni=1（Xi－ a ）Ai2 a ∑ni=1Ai（13）

式中：Xi、 a 分別為區(qū)域Ai內(nèi)物質(zhì)X的濃度/電流密度及平均濃度/平均電流密度；n為區(qū)域數(shù)。

圖9展示了工作電壓從1.0V降至0.3V時(shí)，不同流場陰極側(cè)GDL與CL交界面氧氣濃度分布均勻度指數(shù)的變化趨勢。結(jié)果顯示：當(dāng)工作電壓高于0.85V時(shí)，3種流場的氧氣濃度均勻度相近且較高；當(dāng)電壓降至0.85V以下，平行流場的均勻度指數(shù)開始下降，速度逐漸減緩，而仿生流場和蛇形流場的均勻度指數(shù)呈單調(diào)下降趨勢。值得注意的是，在所有工作電壓下，仿生流場的氧氣濃度均勻度指數(shù)均優(yōu)于平行流場和蛇形流場。

在燃料電池的催化層，氧氣濃度受到流場氧氣分配和氧氣消耗速率的影響。高工作電壓下，電流較小，氧氣消耗速率低，各流場的氧氣較為充足，均勻度較高。隨著電壓降低，電流增大，氧氣消耗速率上升。當(dāng)電壓降至0.4V時(shí)，仿生流場和平行流場的電流密度增長放緩，氧氣消耗速率減慢，均勻度指數(shù)下降速度減緩。相反，蛇形流場在低電壓下仍保持較快的電流增長，導(dǎo)致氧氣濃度均勻度指數(shù)持續(xù)快速下降。

綜上所述，3種流場中，仿生流場的氧氣濃度分布最為均勻，供氣質(zhì)量最佳，這一結(jié)果對(duì)于優(yōu)化燃料電池性能、提高氧氣利用效率具有重要意義。

2.2 氣體擴(kuò)散層與催化層交界面處水的濃度分布

燃料電池的排水性能對(duì)反應(yīng)物傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和離子傳導(dǎo)有重要影響。為了評(píng)估新型流場的排水能力，需對(duì)比分析陰極GDL與CL交界面處水的濃度。

圖10展示了0.6V工作電壓下陰極GDL與CL交界面處水的濃度分布，結(jié)果顯示水的濃度與氧氣流場的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。在仿生流場中，由于氧氣流入通道與氣體擴(kuò)散層的隔離，流道下方的擴(kuò)散層和催化層缺乏對(duì)流現(xiàn)象，導(dǎo)致水的濃度較高。此外，由于水的排出方向與氣體流向一致，單元流場出口及流出流道下方催化層的水的濃度也較高。

在平行流場中，水的濃度較高的區(qū)域主要集中在邊緣和中部。邊緣區(qū)域因缺乏流道，水難以排出；中部由于氧氣流速較低，缺乏對(duì)流，導(dǎo)致水排除不充分。相比之下，由于流速較高，蛇形流場強(qiáng)烈的對(duì)流現(xiàn)象能有效排水，水的濃度從入口到出口逐漸增高，除邊緣少量高濃度區(qū)域外，其余部分的水均得到了有效去除。經(jīng)過計(jì)算，3種流場中陰極側(cè)GDL與CL交界面處水的濃度均值分別為13.206、14.547、13.098mol·m^－3，表明蛇形流場的除水能力最佳，仿生流場的除水能力僅次于蛇形流場。

2.3 氣體擴(kuò)散層與催化層交界面的電流密度分布

電流密度分布的均勻性對(duì)燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。過高或過低的電流密度會(huì)導(dǎo)致局部反應(yīng)過快或過慢，不僅降低整體性能，還會(huì)縮短質(zhì)子交換膜的壽命，影響燃料電池的長期使用。

圖11展示了0.6V工作電壓下，不同流場陰極側(cè)GDL與CL交界面的電流密度分布。由圖可見，仿生流場和蛇形流場的電流密度分布較為均勻，幾乎沒有過低區(qū)域，而平行流場中部由于氧氣流速較低，導(dǎo)致電流密度過低，反應(yīng)較慢。進(jìn)一步分析顯示，仿生流場的電流密度峰值與最低值之差為0.2320A·cm^－2，平行流場為0.8364A·cm^－2，蛇形流場為0.7310A·cm^－2，表明仿生流場沒有局部反應(yīng)過快或過慢的區(qū)域。與平行流場和蛇形流場相比，仿生流場的峰值電流密度分別降低了31.35% 和46.31%，這進(jìn)一步證明其電流密度分布優(yōu)越，有助于提升燃料電池性能。

工作電壓從1.0V降低至0.3V的過程中，不同流場陰極側(cè)氣體GDL與CL交界面處電流密度分布均勻度指數(shù)隨電壓的變化趨勢如圖12所示。由圖可見，隨著工作電壓降低，3種流場結(jié)構(gòu)的電流密度均呈現(xiàn)上升趨勢，化學(xué)反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致氧氣消耗速率顯著增強(qiáng)。這一現(xiàn)象使得催化層中不同區(qū)域的氧氣濃度梯度逐漸增大，進(jìn)而影響了電流密度分布，使其均勻性逐漸降低。

在所有模擬工況下，仿生流場均表現(xiàn)出較好的電流密度分布均勻性，這是由于仿生流場的設(shè)計(jì)能夠使氧氣分布更為均勻，有效降低了濃差極化損失，為電流密度的均勻分布奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這一特性使得仿生流場在燃料電池運(yùn)行過程中的性能更為穩(wěn)定，從而具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.4 流場壓降

圖13展示了不同流場陰極側(cè)氣體通道的壓力分布。由圖可見，仿生流場的壓降為444.36Pa，平行流場為864.80Pa，蛇形流場為5 021.40Pa，顯示出仿生流場在壓降控制上的明顯優(yōu)勢。這一優(yōu)勢主要?dú)w結(jié)于仿生流場獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于其內(nèi)部具有眾多分叉，使得氣體在流場內(nèi)的流速相對(duì)較低，且流動(dòng)時(shí)的拐角基本小于45°，因此有效減少了局部壓力損失。蛇形流場僅包含兩條獨(dú)立的流通路徑，氣體流速較高，且存在多個(gè)90°拐角，因而導(dǎo)致大量的局部和沿程壓力損失。平行流場雖然流速不高，但其拐角同樣為90°，流道拐角處產(chǎn)生較多旋渦，因此也造成了較大的局部壓力損失。綜合比較后可知：平行流場的壓降最小，仿生流場次之，蛇形流場壓降最大，這一結(jié)果驗(yàn)證了仿生流場在燃料電池設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性，特別是在承受更高入口流速方面展現(xiàn)出巨大潛力，為燃料電池流場結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有益參考。

2.5 電化學(xué)性能

極化曲線與功率密度曲線作為燃料電池電化學(xué)性能的重要表征方式，能夠體現(xiàn)出不同流場設(shè)計(jì)方案對(duì)燃料電池性能的影響。圖14顯示了不同流場的極化與功率密度曲線隨電流密度的變化情況。

由圖14可見，在低電流密度區(qū)域，3種流場的功率密度與極化曲線差異不大，這一現(xiàn)象主要?dú)w因于數(shù)值模擬過程中，與膜的特性緊密相關(guān)的活化損失占主導(dǎo)地位，而在高電壓工況下，膜的特性變化通常被忽略。隨著電壓降低，濃差極化效應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，3種流場間的性能差異逐漸擴(kuò)大，特別是在低工作電壓條件下，平行流場的輸出性能相較于蛇形和仿生流場呈現(xiàn)顯著下降趨勢；而仿生流場則展現(xiàn)出最為優(yōu)越的輸出性能，相較于平行流場和蛇形流場，仿生流場的極限電流密度分別提高了35.42%、6.81%，峰值功率密度分別提高了29.71%、5.22%。

3 結(jié) 論

為深入探究不同流場結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，本文基于海棠葉脈仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型仿生流場，采用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了仿生流場、平行流場及蛇形流場3種燃料電池仿真模型，并進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

（1）與傳統(tǒng)的蛇形流場和平行流場相比，葉脈仿生流場壓降更低，催化層氧氣濃度分布更均勻，供氣質(zhì)量更高，有利于降低泵送功率和提升燃料電池電流密度的分布均勻性。

（2）相較于傳統(tǒng)的蛇形流場和平行流場，仿生流場有著較強(qiáng)的除水能力，雖略低于蛇形流場，但強(qiáng)于平行流場，在低電壓工況下運(yùn)行時(shí)，較強(qiáng)的除水能力能有效減少水淹現(xiàn)象。

（3）仿生流場的電化學(xué)輸出性能最為優(yōu)越，相較于平行流場和蛇形流場，仿生流場的極限電流密度分別提高了35.42%、6.81%，峰值功率密度分別提高了29.71%、5.22%。

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（編輯 李慧敏）