中国科学院广州能源研究所在泡沫基高功率密度燃料电池技术研究方面取得进展

在全球加速能源转型的背景下，中国科学院广州能源研究所联合伊朗阿米尔卡比尔理工大学在泡沫基流场质子交换膜燃料电池研究方面取得进展。

泡沫基流场因其独特的结构成为提升燃料电池性能的理想选择（图1）。这种3D贯通式流场通过无气体扩散层一体化设计，可将电堆整体厚度减少15%～20%，大幅提升了体积功率密度；其高达90%以上的孔隙率确保了反应物在催化层的均匀分布，有效解决了传统流场存在的传质不均问题；而且，其独特的热传导特性能够消除局部热点，使温度分布均匀性提升30%。

图1 本研究燃料电池示意图：（a）平行蛇形流量分配器PS，（b）泡沫基流量分配器，（c）传统肋状/通道燃料电池（左）和泡沫基燃料电池（右）的侧视图

研究提出了一种基于势流场解析的功能梯度多孔材料（FGPM）流场系统化设计方法（图2）。通过对流场内势流进行数值求解，获取关键等势线分布。将各等势线均分构建流线网格，形成从入口到出口的连续传质路径。基于网格单元位置动态分配孔隙率参数，确保轴向（流线方向）与径向（等势线方向）的梯度连续性，从而构建出具有优化传质性能的FGPM流场结构。该设计方法通过CFD迭代验证表明，在保持结构强度的同时可实现传质效率40%以上的提升，为高性能燃料电池流场的工程化设计提供了可靠的技术方案。

图2 U型流场的梯度孔隙设计方法：（a）势流网格划分，（b）孔隙率分布，（c）质量流量分配

该研究对FGPM流场与传统4通道平行蛇形流场（4-PS）的性能进行了系统性对比。结果显示，在50×50mm²活性面积条件下，FGPM流场展现出显著的性能优势。在关键指标体积功率密度方面实现了84%的大幅提升；其次，通过创新的无气体扩散层一体化设计，成功将电堆总厚度减少了15%，从传统设计的3.75mm降低至3.2mm；在1A/cm²的典型工作电流密度下，FGPM流场使电池的输出功率提升了57%，这一提升幅度远超预期。这为解决燃料电池在高功率输出时的性能衰减问题提供了新的技术路径。

研究特别揭示了两种典型配置下的性能差异。（1）具有微孔层的薄型膜电极配置下，传统4-PS和新型FGPM燃料电池的性能均有所提升，然而FGPM流场的体积功率密度比传统4-PS设计提升了84%；（2）无微孔层的厚型膜电极配置下，FGPM流场仍保持了47.8%的性能优势（图3）。

图3 不同配置下平行流道和FGPM 流场的燃料电池极化曲线：配置1-base厚型膜电极，配置3-具有MPL的薄型膜电极

相关研究成果以Application of a foam-based functionally graded porous material flow-distributor to PEM fuel cells为题发表于Energy。

内容来源：中国科学院广州能源研究所

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