质子交换膜燃料电池三维电化学模拟与分布式阻力建模方法研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)中气体扩散层(GDL)变形导致的反应气体传输受阻问题，研究人员采用随机重建技术和有限元分析方法，建立了分布式阻力模型(DRM)，实现了GDL非均匀渗透率的精确表征。通过三维电化学模拟发现，GDL变形对气体传输和电化学性能具有显著影响，新方法使模拟结果在所有电流密度下更接近实验数据，为PEMFC优化设计提供了新思路。

　　

在新能源领域，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效、环保的特性备受关注。然而，在电池堆组装过程中，气体扩散层(GDL)会受到双极板的挤压而发生不均匀变形，导致反应气体传输受阻，严重影响电池性能。传统模拟方法通常将GDL视为均匀介质，忽略了实际组装过程中的局部变形差异，使得模拟结果与实验数据存在较大偏差。这一瓶颈问题制约了PEMFC的优化设计和性能提升。

为解决这一难题，Dongan Liu、Tianfu Gong等研究人员在《Next Energy》发表论文，创新性地提出了结合随机重建技术和有限元分析的分布式阻力建模方法。研究团队首先通过自主开发的随机重建工具，精确重构了GDL多孔材料的微观结构，考虑了纤维、粘结剂和聚四氟乙烯(PTFE)的空间分布。随后采用计算流体动力学方法预测了重建材料的渗透率，并结合三维有限元模型获得了GDL在压缩状态下的厚度分布图。最终通过线性插值计算，生成了用于电化学模拟的分布式阻力图。

研究结果显示，新方法显著提高了模拟精度。在100-3000 mA/cm²的电流密度范围内，采用分布式阻力模型(DRM)的模拟结果与实验数据的吻合度明显优于传统方法。特别是在高电流密度条件下，模拟电压误差从传统方法的5.2%降低至2.1%。

在反应物分布方面，研究发现GDL变形导致的渗透率差异会显著影响反应气体的传输。在100 mA/cm²低电流密度下，氢气在阳极催化剂层(CL)的浓度分布呈现中心凹陷特征；而在1000-3000 mA/cm²条件下，则表现出明显的"脊-槽"分布模式。阴极侧的氧气分布还受到锥形通道结构的影响，在锥形结构前端区域，脊下区域的氧气浓度明显升高。

电化学反应速率分布研究表明，在低电流密度时，反应速率主要受气体浓度控制，槽下区域反应速率较高；而在高电流密度时，欧姆电阻成为主导因素，脊下区域因电子传输损耗较小而表现出更高的反应速率。

水管理分析显示，液态水主要在GDL的脊下区域积聚，特别是在阴阳极双极板脊部重叠区域。随着电流密度从1000 mA/cm²增加到3000 mA/cm²，阴极侧液态水饱和度从0.12升至0.28，但由于气体流速增加，水聚集区域反而减小。

该研究通过创新的分布式阻力建模方法，首次实现了对PEMFC中GDL局部变形影响的精确表征。研究不仅为理解多孔介质中复杂的质量传输机制提供了新视角，也为燃料电池的优化设计提供了重要工具。特别是提出的随机重建-有限元分析-电化学模拟的多尺度耦合方法，可推广应用于其他多孔介质相关的能源器件研究，具有重要的理论和应用价值。