燃料电池极板叶脉仿生流场结构优化的仿真与分析

Simulation and analysis of PEMFC vein bionic flow field structure optimization

摘要

传统的燃料电池流道结构在电流与物质分布均匀性方面存在劣势，为改善反应物质和电流分布不均会导致燃料电池性能得不到高效的发挥的问题，本文基于COMSOL建立具有叶脉仿生流场的燃料电池仿真平台，研究了不同形式的流道对燃料电池物质及压力分布和电化学反应性能的影响。研究发现，通过改变流道夹角、开通二级流道与添加流线型堵块，使得流道内氧气分布更加均匀，流线型堵块流场要比20°主分支流道夹角流场电流密度大0.06 A/m²，因此本文研究对燃料电池流道结构设计有借鉴意义。

Abstract

The traditional fuel cell flow channel structure exhibits disadvantages in terms of uniformity of current and species distribution. To address the issue that uneven distribution of reactant species and current prevents fuel cell performance from being fully realized， a fuel cell simulation platform with a leaf-vein bionic flow field is established based on COMSOL in this paper， and the effects of different flow channel configurations on species and pressure distribution and electrochemical reaction performance are investigated. It is found that by altering the flow channel angle， opening secondary flow channels， and adding streamlined blocks， oxygen distribution within the channels becomes more uniform； the current density of the streamlined block flow field is found to be 0.06 A/m² higher than that of the flow field with a 20° main-branch channel angle. Therefore， the research presented in this paper provides a reference for the structural design of fuel cell flow channels.

Graphical abstract

关键词

质子交换膜燃料电池 / 叶脉仿生流场 / 二级流道 / 流线型堵块 / 物质分布均匀性 / 电流密度

Key words

proton exchange membrane fuel cell / leaf-vein bionic flow field / two-stage channel / streamline block / uniformity of material distribution / current density

0 前 言

随着汽车工业的发展，汽车动力系统呈现出多元化的发展趋势，节能与减排也推动着汽车动力系统向绿色方向发展，其中质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有良好的发展前景，PEMFC以氢气作为燃料，能够将化学能直接转换为电能，所生成产物为水。氢能具有来源广泛、能量密度高且无污染的特点，被视为未来能源发展的新方向^［1］。氢燃料电池由于零污染排放、效率高和启动快等特点，在汽车动力的应用方面被大量关注^［2］。在汽车领域，除内燃机外，氢氧燃料电池是最具市场前景的汽车动力解决方案之一^［3］。

PEMFC主要由质子交换膜、集热器板、扩散层和催化层组成，双极板的作用是引导反应气体，排出反应生成的水^［4］，因此流场结构的设计直接影响PEMFC的性能^［5］，随着对PEMFC流场结构的深入研究，在自然界中发现了更为高效的结构，如：植物的叶脉脉络，哺乳动物的肺等结构，生物结构本身就是自然进化最优解，此类结构具有流动阻力小、流动分布均匀性好的特点，而这些特点正是流场结构所优化的点。Kloess等^［6］基于植物叶脉和肺的形状，两种仿生流场同传统蛇形流场和交指流场对比，结果表明，两种仿生流场的压降更低的同时，反应气体分布均匀性更好。Chen等^［7］设计了一种叶脉仿生流场，数值模拟结果表明，PEMFC的性能受分支流道的数量和位置的影响较大。Fan等^［8］基于玉米叶脉形状流场同传统平行流场进行研究对比，玉米叶脉形状仿生流场显著提高PEMFC在低工作电压下的性能，同时具有更好的质量传输，更好的水管理和更好的压降。Zhang等^［9］将叶型、肺型、树型等形状作为PEMFC流道形状，研究发现，各形状均在一定程度上可以提高PEMFC的整体性能，使反应物更加均匀，提高燃料利用率，增强流道排水能力，产生较低的压降，提高功率密度。Badduri等^［10］研究表明，在叶片流道情况下，具有交错叶通道设计的燃料电池产生的净功率密度比具有非交错叶通道的流场的电池高。

除此之外，流道的截面形状也会影响燃料电池的整体性能，Li等^［11］研究发现在流道设置带简单的强制对流的两步结构可以提高电流密度，倾斜角的增加可以使得气体强制向扩散层扩散，横向切割之后可以提高电池性能，但是降低了两步结构的强制对流效应，且造成局部气体堆积导致流道尾部气体减少，使得电流密度分布不均匀。Atul等^［12］研究发现，流道截面形状的不同可以影响燃料电池的性能。Li等^［13］发现，将流道截面形状由梯形变为三角形时，氧气浓度提高，电流密度也变得更高。

叶脉仿生流场不仅克服了平行流场排水能力弱的问题，而且压降相较于蛇形流场也得到改善，降低了寄生功率，提高了燃料电池效率。本文不仅对流场整体主-分支流道夹角进行了研究，而且在夹角最优解的条件下，对流道内部细微结构进行了优化，改善了流道出口处的积水问题，提高了电流密度与功率密度。

本文基于COMSOL软件建立燃料电池仿真平台，首先对流场的结构进行优化设计，运用仿生学理论，在PEMFC极板设置叶脉仿生结构，对比不同主-分支流道夹角对叶脉仿生流场物质分布及电化学性能的影响，其次对流场内的流道的联通与截面形状进行了研究，对比开通二级流道与未开通时流场的性能，分析堵块对叶脉仿生流场的性能影响。

1 仿真平台的搭建

1.1　叶脉仿生燃料电池模型建立

本文通过COMSOL Multiphysics软件建立叶脉仿生燃料电池模型，如图1所示，建模域包括双极板（已隐藏）、阴/阳极流道、气体扩散层（GDL）、催化层（CL）以及质子膜（MEM），模拟工作温度为80 ℃，工作压力为10⁵ Pa，阴阳极化学计量比为1.2/2，相对湿度为100%，具体参数见表1，其建模参数见表2。

1.2　控制方程及选用模型介绍

PEMFC的工作过程包括对流扩散，组分的变化以及电化学反应等在内的多个物理现象，需要用较多的数学模型来描述PEMFC的工作状态。PEMFC在工作时会受到温度、压强及湿度等多个物理场影响，不同的物理场需要不同的控制方程来描述。

在PEMFC中发生的物理现象一般可以表示为质量、动量、能量、组分和电流传输等守恒方程的解，所以在燃料电池建模时假设如下：①反应气体（气体混合物）为不可压缩的理想气体；②气体流动皆为层流状态；③质子膜和催化电极均匀且各向同性；④在PEMFC的固体组件中忽略电阻。

质子交换膜燃料电池中，各组分的质量守恒表达式如下：

\frac{\partial (\epsilon \rho )}{\partial t}+\nabla \left(\epsilon \rho v\right)=S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}（1）

式中：\rho为各个组分密度（kg/m³）；\epsilon为不同介质的孔隙率，阴阳极流道\epsilon为1，在其他介质\epsilon小于1；v为速度矢量：S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}为质量源项。

质量源项只存在于阴阳极的催化层，阴阳极催化层的源项计算公式如下：

在阳极催化层中：

S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s},\mathrm{a}}=S_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=-\frac{M_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}}{\mathrm{2}F}{R}_{\mathrm{a}}（2）

在阴极催化层中：

S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s},\mathrm{c}}=S_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}+S_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}=\frac{M_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}}{\mathrm{2}F}{i}_{\mathrm{c}}-\frac{M_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}{\mathrm{4}F}{R}_{\mathrm{c}}（3）

式中：M为摩尔质量分数；F为法拉第常数；i_{\mathrm{c}}为阴极反应体积电流密度（A/m³）；R为交换电流密度（A/m³）。

动量守恒方程：

\frac{\partial (\rho v)}{\partial t}+\nabla \left(\rho vv\right)=-\nabla p+\nabla \left(u^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla v\right)+S_{\mathrm{m}}（4）

式中：p为流体压力（Pa）；u^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为混合物平均黏度（kg/m·s）；S_{\mathrm{m}}为动量源项。

动量源项对于PEMFC的不同区域会有所改变，如下所示：

对于流道：

S_{\mathrm{m}}=\mathrm{0}（5）

对于扩散层和催化层：

S_{\mathrm{m}}=-\frac{\mu }{K}\epsilon v（6）

式中：K为渗透率（m²）。

能量守恒方程：

\frac{\partial \left(\rho c_{\mathrm{p}}T\right)}{\partial t}+\left(\nabla v\rho c_{\mathrm{p}}T\right)=\nabla \left(k_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla T\right)+S_{\mathrm{e}}（7）

式中：c_{\mathrm{p}}为混合平均比热容（J·（kg·K）^-1）；T为温度（K）；k_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为有效导热系数；S_{\mathrm{e}}为能量源项。

组分守恒方程：

\frac{\partial (\epsilon \rho x_i)}{\partial t}+\nabla \left(v\epsilon \rho x_i\right)=\nabla \left(\rho {D_i}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla x_i\right)+S_{s,i}（8）

式中：x_i为气体组分各质量分数，i=1，2，…；S_{s,i}为组分源项；{D_i}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为有效扩散系数。

在催化剂层中，氢、氧、水蒸气和液态水的源项S_{s,i}分别为：

\left\{\begin{array}{c}{S}_{s,{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=-j_{\mathrm{a}}\frac{M_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}}{\mathrm{2}F}\\ S_{s,{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}=-j_{\mathrm{c}}\frac{M_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}{\mathrm{4}F}\\ S_{s,{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)}=j_{\mathrm{c}}\frac{M_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}}{\mathrm{2}F}\end{array}\right.（9）

式中：j_{\mathrm{a}}为阳极反应的体积交换电流密度；j_{\mathrm{c}}为阴极反应的体积交换电流密度。

电荷守恒方程：

对于电流描述为：

\nabla \left({k_s}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla {\varphi }_s\right)=S_{\varphi s}（10）

对于离子流描述为：

\nabla \left({k_m}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\nabla {\varphi }_m\right)=S_{\varphi m}（11）

式中：{k_s}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为电导率（S/cm）；{k_m}^{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为离子电导率（S/cm）；{\varphi }_s为固相电势（V）；{\varphi }_m为电解液相电势（V）；S_{\varphi }为体积转移电流的源项。

1.3　模型验证

在本次仿真过程中对划分的网格进行无关化检验和模型验证，通过这种方法，不仅可以提高计算过程中的数据的精确性，还可以大大降低计算时间，节约时间成本，对不同网格精度的模型进行了划分，设置网格尺寸分别为0.1、0.15、0.2、0.25 mm。如图2所示，对比0.1 mm和0.15 mm网格尺寸计算结果，最终选择网格尺寸为0.15 mm。

图3所示为单片测试平台示意图，系统中主要使用了氢气供给装置、空气供给装置、燃料电池单体以及外部负载。在此系统中的储氢罐所供给的氢气纯氢度大于99.99%。

图5为PEMFC试验装置。试验边界条件如表1所示，燃料电池工作温度为80 ℃、气体出口压力为10⁵ Pa、阴阳极气体相对湿度为100%、阳极/阴极计量比为1/1.2。测量电压为0.9 V时开始记录电流密度，以0.1 V为步长，电压为0.3 V时结束测量，共验证7个电流密度。如图5所示，本文模型的仿真数据与试验数据吻合性较好，说明该模型数据可靠，在该模型数据下对叶脉仿生流场进行了研究对比。

1.4　研究方案

根据树叶叶脉结构以及建模参数对流场结构进行优化分析，叶脉仿生型流场存在反应物质扩散速度较慢的问题。

本节针对叶脉仿生型流场设置8种试验方案，分别对比各试验条件下叶脉仿生流场的电化学性能及物质分布，如表3所示，设置5°为一间隔，由20°到45°，然后在叶脉仿生流场的基础上开通二级流道，在开通二级流道的基础上设置流线型堵块。基于叶脉仿生流场，对比各试验条件下的物质分布与电化学性能。

每个模型流场截面积均为20 mm×20 mm，且每处流道宽度深度均为1 mm，图6为叶脉仿生流场图及其夹角示意图（以夹角α=45°为例）。

二级流道在主-分支流道夹角为25°的叶脉仿生流场开通，其宽度为0.5 mm的细流道，深度为1 mm，且将各级分支流道相互联通，细流道与主流道以平行方式布置，图7所示为二级流道叶脉仿生流场结构图。

流线型堵块设置在二级流道叶脉仿生流场的分支流道内，流线型堵块结构示意图如图8所示，图9所示为流线型堵块叶脉仿生流场结构图。

图8中，L表示堵块的长度，L=2 mm，H表示堵块的高度，H=0.3 mm，R为堵块底部圆角的半径，R=0.6 mm，d=1 mm，其位置在图9流线型堵块仿生流场流道凹陷部位。

2 模拟结果分析

2.1　不同流道结构对PEMFC的氧气分布影响

图10为8种不同条件下的仿生流场在0.6 V工作电压下阴极氧气分布图，对比图10（a）~（f）发现，主流道氧气分布浓度相对支流要高，主流道接近入口处氧气分布浓度相对于出口处氧气浓度要更高，接近主流道入口的支流道氧气分布浓度较高，主流道内氧气分布浓度随气体流动方向下降幅度较小，在主流道入口附近的分支流道内的氧气含量下降幅度较小，主流道出口附近的分支流道内的氧气下降幅度较大。随着电化学反应的发生，流道中的氧气逐渐被消耗，所以氧气含量最低的区域出现在主流道出口处附近的支流道出口处，随着α减小，进入分支流道的氧气含量增加，增强了分支流道的排水性能，缺氧区域面积逐渐减小，使流场获得更加均匀的氧气分布。

对比图10（a）~（g）发现，二级流道叶脉仿生流场的氧气分布更加均匀，低氧分布区域面积较小，因为二级流道的打开，反应气体在分支流道内不断地分流与合流，增强了气体的扰动性，因此增强了气体的吹扫能力，增强了阴极的排水能力，随之提高了分支流道出口处的氧气分布含量。

通过对比图10（a）~（h）发现，因为在二级流道叶脉仿生流场内布置流线型堵块，气体流经流道时，此时的流道截面积相比于二级流道仿生流场时的截面积减小，导致气体流速增加，进一步提高了气体的吹扫能力，增强了氧气的扩散能力，使氧气在流场内的分布更加均匀，提高了催化层的氧气含量。流线型堵块仿生流场催化层的平均氧气摩尔分数为6.05%，相比二级流道仿生流场提高了0.08%。

图11为0.6 V工作电压下氧气平均摩尔分数曲线。在夹角范围在20°~40°时，阴极催化层内平均氧气摩尔分数随着度数的增大而降低，当夹角为20°时，阴极催化层的平均氧气摩尔分数为5.83%，当夹角为40°时，为5.32%。在增大流道夹角的过程中，分支流道内的氧气含量减少，使分支流道内氧气对生成物水的吹扫能力减弱，从而分支流道内堆积的水无法排出，阻碍氧气的扩散，导致分支流道催化层最低氧气分数降低。当夹角为45°时，平均氧气摩尔分数为5.70%。此时，阴极催化层上并没有呈现出最大氧气摩尔分数的规律性，因为流场内部拐点相应位置处的压力随主流道与支流道夹角的改变而改变，造成氧气在分支流道内部扩散量有一定扰动，最终影响气体扩散层及催化层氧气分布含量。开通二级流道之后，由于分支流道内互相联通，增加了气体的流动性，阴极催化层平均氧气摩尔分数明显增加，且较之前任何角度下的平均氧气摩尔分数更大，添加流线型堵块后，由于气体通道截面积减小，增加了气体的流速，较二级流道仿生流场气体流动能力更强，阴极催化层平均氧气摩尔分数达到最大值。

2.2　不同流道结构对PEMFC水分布的影响

如图12为8种不同条件下的阴极催化层水分布图。对比图12（a）~（f）发现，在阴极催化层中，气体源源不断进入流道并渗透进催化层进行电化学反应，在气体的扩散作用下反应生成的水不断地被吹扫到出口处，相应地，随着反应的进行，氧气不断地消耗，出口处分配得到的氧气含量减少，对水的吹扫能力减弱，导致此处堆积液态水，液态水的堆积也导致氧气的扩散能力降低，从而减弱氧气对液态水的吹扫能力。主流道内氧气含量高，气体的吹扫能力强，主流道内水含量较低，分支流道内氧气含量沿气体流动方向降低，较主流道内氧气吹扫能力减弱，使得分支流道内水含量较多，特别是分支流道出口处水含量明显增多，阻碍氧气的扩散。随着主-分支流道夹角的增加，分支流道分配得到的氧气流量减少，降低了分支流道出口处对液态水的吹扫能力，导致液态水的堆积堵塞扩散层，而影响电化学反应的进行。

对比图12（a）~（g）发现，二级流道仿生流场液态水高密度区域面积相对不同夹角仿生流场大大减小，同时催化层最大水摩尔分数从0.72降到了0.70，因为二级流道的开通，增强了分支流道内气体的扩散能力，因此增强了气体对液态水的吹扫能力，明显看出二级流道叶脉仿生流场的分支流道的排水能力提高。

对比图12（a）~（h）发现，在二级流道仿生流场设置流线型堵块，降低流道截面积，提高气体流经流道压降，增加气体流经流道流速，提升了流道的排水能力，流线型堵块仿生流场的高含水量区域面积要小于二级流道仿生流场的高含水量区域面积，流线型堵块仿生流场最大水摩尔分数为68.3%，相比无堵块的流场降低了1.7%。

图13为阴极催化层的平均水摩尔分数和阴极出口处水摩尔分数，出口的水摩尔分数越大，代表排出流场的水越多，流场具有更好的排水性。从图中可以明显看出，随着夹角的增大，出口水摩尔分数逐渐降低，即流场排水能力逐渐降低。在25°仿生流场开通二级流道之后，相较于不同夹角流场，二级流道仿生流场排水能力增强，在二级流道的基础上添加流线型堵块后，其排水能力相较于二级流道仿生流场进一步增强。除了在夹角α为40°（案例5）时阴极催化层平均水摩尔分数有较小波动，其他主-分支流道角度下的阴极催化层平均水摩尔分数基本相等。

2.3　不同流道结构对PEMFC压力分布的影响

图14为0.6 V工作电压下，不同主-分支流道夹角流场的阴极流道的压降及寄生功率。寄生功率表示系统对外做功的同时，系统附属器件所消耗的功，例如：循环系统、水泵系统、压气机系统、换热系统^［14］，本文的寄生功率指的是，为保证系统处于相同条件下运行外部系统所作的功。

对比案例1~6发现，在主-分支流道夹角为30°时，流场压降及寄生功率最大，分别为1.38 kPa和6.16×10^-3 W，当夹角为25°时，流场压降及寄生功率最低，分别为1.15 kPa和5.11×10^-3 W。虽然夹角为30°时流场压降最大，但是与流道夹角为20°时相比，整体排水能力并未有所改善，导致液态水堆积在分支流道出口处无法排除，阻碍反应物质的传输，压降大的同时并未改善排水能力，导致寄生功率最大；而夹角为20°的流场，虽然压降比夹角为30°时的流场低，但分支流道内获得的氧气含量高，吹扫能力强，出口处含水量较小，对反应物质的传输影响较小，寄生功率低。

通过对比案例1~7发现，增加二级流道后，压降较不同夹角时的流道压降有所增加，因为分支流道内部拐点增多，在气体的分流与合流过程中，气体的扰动损失增大，增大了流场的压降，使得二级流道叶脉仿生流场的压力损失增大，过高的压力损失导致对外输出的净功率更低，使得寄生功率损失变大。

对比案例1~8发现，流线型堵块仿生流场的压降比所有流道的压降都要大，相应的寄生功率也最大。因为增加流线型堵块后，气体流经截面积减小，会增加其压力损失，使得流线型仿生流场的流场压降变大，流线型堵块仿生流场的压降为1.77 kPa，压力损失的增大也导致流线型堵块仿生流场的寄生功率大于所有流场的寄生功率。

2.4　不同流道结构对PEMFC电化学性能的 影响

图15为0.6 V工作电压下，不同主-分支流道夹角的电流密度分布图。对比图（a）~（f）可知，电流密度分布规律受反应物质密度分布影响，距入口处越近，反应物浓度越高，向GDL扩散的氧气越多，电化学反应速率越快，产生越多电流。当夹角增加时，流场排水能力下降，因液态水阻碍反应物传输，导致低电流密度区域逐渐增加，电流密度分布的均匀性变差。由图11水分布可知，分支出口处液态水的堆积阻碍氧气向催化层的扩散，进而影响电流密度。夹角为40°的流场电流分布均匀性最差，此时的最低电流密度为0.186 A/cm²。当夹角为45°时，最低电流密度为0.361 A/cm²，最大电流密度为0.782 A/cm²，虽然此时最低电流密度与最大电流密度都大于其他角度的流场，但是根据图10和图12的氧气分布和水分布，相对于夹角为20°和25°时，夹角为45°时的含水量面积较大，氧气分布更加不均匀，导致电流密度的分布均匀性较差。

对比图（a）~（g）可知，二级流道叶脉仿生流场最低膜电流密度为0.338 A/cm²，并且电流密度分布的均匀性更好，不同夹角流场的电流密度分布均匀性较差，二级流道叶脉防仿生流场低电流密度区域明显小于不同夹角仿生流场的低电流密度区域，二级流道的开通，增强了气体的吹扫能力，使得氧气分布的更加均匀，并且提高了分支流道出口的排水能力，使接近出口的分支流道的氧气含量提高，改善了电化学反应性能。

对比图（a）~（h）发现，流线型堵块仿生流场的氧气分布均匀性更好，电流密度分布更加均匀，并且流线型堵块流场的最大膜电流密度及最低膜电流密度均有提高，流线型堵块仿生流场的最大电流密度为0.748 A/cm²，最大电流密度提高了1.19×10^-3 A/cm²，最低电流密度提高了0.030 A/cm²，在二级流道仿生流场设置流线型堵块提高了电流密度，改善了电流分布均匀性。

如图16为不同主流道-分支流道夹角的电化学性能曲线。通过对比案例1~6，在电流密度小于0.6 A/m²时，不同夹角流场下化学差异性能极小，在电流密度大于0.6 A/cm²时，极化曲线差异逐渐明显。当主⁃分支流道夹角小于40°时，极限电流密度随着夹角的增加而逐渐降低，在夹角为20°时极限电流密度最大，达到1.359 A/m²，在夹角为40°时最小，为1.295 A/m²，当夹角为45°时，并没有相应的规律，其流场极限电流密度为1.325 A/m²，同时，功率密度与电流密度呈正相关，6种主分支流道夹角流场均在工作电压为0.4 V时获得最大的功率密度，如图17所示，在α为40°时最小，为0.424 W/cm²，在α为20°时最大，为0.450 W/cm²，α为45°时的最大功率密度为0.434 W/cm²。

通过对比案例1~7，二级流道仿生流场的电流密度始终大于不同夹角仿生流场的电流密度，二级流道仿生流场的极限电流密度达到了1.384 A/cm²，二级流道仿生流场的最大功率密度为0.459 W/cm²。

通过对比案例1~8，流线型堵块仿生流场的电流密度始终大于其他流场的电流密度，流线型堵块仿生流场的极限电流密度达到了1.414 A/cm²，流线型堵块仿生流场的最大功率密度为0.462 W/cm²。

3 结 论

（1）在叶脉仿生流场中，随着夹角的增大，流场物质分布均匀性与电化学性能变差，但是夹角为45°时并无明显规律，不同流场夹角的压降并无明显规律，当电流密度大于0.6 A/cm² 时，极化曲线的差异逐渐明显，随着α的增加，极限电流密度逐渐降低，虽然夹角20°的电化学性能及物质分布均匀性最好，但是夹角为25°的流场的电化学性能与20°夹角流场的电化学性能及物质分布均匀性相近的同时，具有更低的压降。

（2）在25°夹角仿生流场的基础上，设计一种二级流道叶脉仿生流场，相较于不同主分支流道夹角下的流场，增强了仿生流场的排水能力，加强了氧气的扩散能力，提高了流场的最大功率，但是同时压降也提高了。

（3）将流线型堵块同二级流道仿生流场结合，构建了一种流线型堵块仿生流场。流线型堵块仿生流场的排水能力和反应物质分布均匀性进一步提升，同时压降与计生功率也进一步增大。

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基金资助

国家自然科学基金项目(E1206)

长春市科技发展计划项目(23G2220)

吉林大学科技成果概念验证项目(2023GN015)