氢燃料电池汽车被誉为“终极环保车”，但其核心部件——质子交换膜燃料电池（PEMFC）长期面临气体传输效率低、水分堆积的难题。如何让氢气和氧气在电池内部“畅通无阻”？华北电力大学等机构在《Frontiers in Energy》发表的最新研究给出答案：通过“拓扑-曲率优化”技术重塑流道结构，成功将燃料电池峰值电流密度提升4.72%，功率密度增加3.12%，为氢能汽车性能升级提供新思路。

流道“堵车”：燃料电池的致命瓶颈
氢燃料电池通过氢氧反应发电，唯一排放物是水，是交通领域碳中和的关键技术。然而，其内部蛇形流道的弯曲区域常因气体分布不均、水分滞留引发“交通堵塞”，导致反应效率下降。传统改进方法依赖试错实验或算法优化，但存在成本高、周期长等缺陷。

研究团队另辟蹊径，将“拓扑优化”（一种通过计算机智能调整材料分布的优化技术）与曲率控制结合，对弯曲流道进行“整形手术”。就像城市规划师重新设计道路网络，该方法通过数学建模自动生成最优流道形状，再通过曲率优化将锯齿状边界变为平滑弧线，既提升气体流动性，又降低3D打印制造的难度。

性能实测：从“肠梗阻”到“高速路”
研究对比了五种优化模型（TS-I至TS-III、MD-G、MD-P）与传统流道的性能。在0.5伏工作电压下，优化后的流道展现出显著优势：

• 氧气传输升级：关键弯曲区域的氧气摩尔分数提升至0.8以上，高浓度氧气覆盖面积增加2.4%，相当于在“堵车路段”开辟了应急车道；
• 水分排出加速：阴极水分堆积减少11.7%，避免“水淹发动机”导致反应中断；
• 输出功率跃升：最优模型TS-III的峰值电流密度达1.32 A/cm²，比传统结构提高4.72%，相当于同样体积电池多输出近5%的电能。

有趣的是，算法优化模型MD-G和MD-P虽表现优异，但仍不敌拓扑优化的TS-III。研究解释，拓扑技术通过全局结构调整释放潜力，而算法仅能微调局部参数，“就像整体改造立交桥比拓宽单个路口更治本”。

成本与效能平衡：氢能汽车的新可能
优化后的流道不仅性能突出，还具备规模化潜力。传统流道依赖精密加工，而拓扑设计可直接适配3D打印技术，降低复杂结构的制造成本。研究团队算了一笔账：若将该技术应用于车载燃料电池堆，有望在相同输出功率下减少铂催化剂用量，进一步压低氢能汽车成本。

但技术落地仍有挑战。例如，优化后的流道内部流速提升至26米/秒，虽加速气体传输，却也导致压力损失增加12%。研究负责人程友亮教授表示：“我们正在开发第二代模型，通过分区域拓扑优化平衡流速与能耗，目标是将综合能效再提升15%。”

未来展望：从实验室到公路
这项研究为燃料电池设计提供了“智能工具箱”——拓扑优化负责宏观结构创新，曲率控制确保制造可行性。程友亮透露，团队已与车企合作开展实车测试，未来或率先应用于商用氢能卡车。随着氢能产业纳入我国“十四五”战略，此类核心技术突破将加速氢能汽车走进寻常百姓家。

当被问及技术前景，程友亮比喻道：“燃料电池流道就像人体的血管网络，我们的工作就是清除血栓、拓宽毛细血管。只有让氢氧‘血液’顺畅流动，绿色交通的‘心脏’才能强劲跳动。”

来源: FIE能源前沿期刊