质子交换膜燃料电池中采用创新导流方形阵列气体分布区及多通道直流通流场双极板的气体与冷却剂质量输运及分布特性

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Mass transport and distribution characteristics in proton exchange membrane fuel cells with innovative flow-guiding square-array gas distribution zones and multichannel straight-flow-fields bipolar plate for gases and coolant

　　

•方形阵列GDZs可改善多通道流场中的反应物分布。
•阴极氧浓度沿流动方向下降38%。
•2.0 atm在性能均匀性与泵送功率之间提供了最佳平衡。
•1.5 A·cm?2的电流密度在净功率与传输稳定性之间取得了平衡。
•气体逆流及氧气对齐冷却方式改善了反应和热均匀性。

引言

在全球向低碳能源体系转型以及氢能大规模部署的背景下，质子交换膜燃料电池直接将氢的化学能转化为电能，是实现交通脱碳和分布式能源系统的一项极具前景的技术路径[1]，[2]。其持续发展聚焦于克服与成本、功率密度、耐久性以及水热管理相关的关键挑战，从而推动燃料电池（FC）技术从示范级应用向大规模商业化过渡[3]，[4]。燃料电池具有多项显著优势，包括低运行温度、快速启动、高功率密度、低噪声排放、快速动态响应，以及运行过程中以水为主要产物。因此，其在道路交通车辆、船舶运输、航空辅助电源系统及固定式发电领域均展现出可观的应用潜力[2]，[3]。

如图1所示，在单电池运行过程中，氢气在阳极催化剂层（CL）解离为质子和电子。质子通过质子交换膜（PEM）向阴极迁移，而电子则通过外电路输送电能。在阴极，质子与电子同氧反应生成水和热[1]，[4]。除了将单个电池串联连接、汇集和导通电流、分隔反应物气体以及提供机械支撑外，双极板（BP）还通过其通道调节反应物供给、产物排出和热传递。因此，它们是显著影响燃料电池堆质量、体积、成本和运行均匀性的关键组件[5]，[6]。通道拓扑结构、肋-通道比、通道尺寸以及气体分配区（GDZ）共同决定了反应物分布、压降和液态水排出能力[7]，[8]。不恰当的设计可能引发局部氧饥饿、液态水淹水或膜脱水，并进一步加剧温度、电流密度和质量传输的非均匀分布。这些不利影响最终降低净功率输出、效率、耐久性和运行可靠性[9]，[10]。因此，双极板的结构优化是提升燃料电池整体性能和工程适用性的关键步骤。

流场（FF）设计的演进始终聚焦于在反应物分布、液态水排出和寄生功率消耗之间寻求平衡。早期设计主要包括平行流场、蛇形流场和指交叉流场。平行通道具有低压降和结构简单等优势，但因支路阻力不等而容易产生流量分配不均。蛇形通道通过较高压差增强肋下对流和排水，但较长的流路增加了泵送损失和局部膜脱水的风险。指交叉流场迫使气体通过多孔电极，但可能造成较大的传质阻力和压降[11]。为缓解这些权衡，研究从传统拓扑转向了更精细的平面设计，纳入了变截面、波纹、分支、障碍物和混合构型等设计。例如，一种波形指交叉流场通过周期性子通道增强横向传输，使最大功率密度较传统蛇形流场提高了14.2%[12]。一种优化的链式流场通过连续的收缩-扩张结构诱发肋下对流，使峰值净功率密度较平行流场提高了18.9%，并在2.9 A·cm?2下使测量电压增加了52 mV[13]。随着增材制造技术的发展，流场进一步向三维（3D）阶梯式、挡板式和网络化结构演进。一种四级阶梯式流场在0.55 V下实现了6727 W·m?2的功率密度，较传统平行流场高约26%[14]，而3D挡板则通过强化面内扰动增强了氧传输和热扩散[15]。更近期地，金属泡沫和仿生分形歧管被引入以通过多孔网络重构气-液传输路径。中子成像显示，分形金属泡沫流场可减少液态水滞留，并使最大功率密度提高约15%[16]。总体而言，双极板流场已从传统的二维槽道和平面混合拓扑演变为复杂的3D和多孔仿生架构。然而，实现反应物分布均匀性、水管理能力和水力效率的协同提升仍是先进流场架构开发中的核心挑战。

然而，流场设计自由度的增加导致通道尺寸、肋-通道比、弯曲半径、障碍物几何形状和气体分配区构型之间产生强耦合。因此，经验设计和单因素逐次参数扫描越来越难以同时兼顾输出性能、压降、水热均匀性和可制造性。相应地，流场优化正从局部几何修正转向结合多物理场建模、实验设计、代理模型、多目标算法和实验验证的综合框架，并进一步拓展至基于图像的缺陷识别和结构重构。多物理场图像融合优化使功率密度提高了4.28%，同时将压降和流分布均方根误差分别降低了17.1%和59.2%[17]。在工程约束条件下，在窄分配区内嵌入平行-蛇形通道改善了流均匀性和排水性能[18]。在蛇形通道内嵌入针翅使压降降低了54.8%，而输出功率损失极小，圆弧形通道弯头则可进一步降低4.92%[19]。对于大规模筛选，一种深度优先算法生成了28,348个候选流场，仅对480种构型进行计算流体力学仿真训练神经网络；所选设计实验测得的最大功率密度较传统蛇形流场高10.37%[20]。一种自动化智能设计框架进一步集成了多目标优化与多物理场仿真，使悬浮障碍物流场的净功率密度提高了8.59%，代理预测最优值与自动迭代结果之间的差异仅为0.1784%，同时将设计周期从约两个月缩短至7天[21]。在商业化规模层面，应用于332 cm2、408个分段单元电池的数字方法将通道氧浓度最大偏差从26.33%降至3.78%[22]。这些进展表明，流场优化正从经验驱动、单目标设计向多目标、全尺度、可实验验证的综合框架演进，由物理机制和数据共同引导。然而，建立同时保持物理可解释性、计算效率、结构可制造性和多工况性能鲁棒性的优化策略仍是先进流场设计面临的重要挑战。

尽管通过数据驱动和多目标优化扩展了流场设计空间，但商业化构型仍受限于性能、成本、可制造性和可靠性，使直通道始终保持主导地位。其短流路、少弯头和低局部阻力有助于在高流量和大有效面积条件下限制压降和压缩机寄生功率。由于双极板约占车用燃料电池堆体积的80%、质量的60%和成本的30%，结构简化对于轻量化和降本至关重要[23]。规则的直肋和直通道兼容高吞吐量冲压、液压成型和辊压成型工艺，同时便于尺寸控制并减少开裂和回弹[26]。一项采用350 cm2直通道电池的新欧洲驾驶循环（NEDC）长期研究进一步证实了其在商业化规模监测和耐久性评估中的适用性[24]。连续直肋还为机械支撑、电子传导和热扩散提供了稳定路径。在金属双极板的单直通道模型中，0.5 MPa的夹持压力使功率密度提高了13.6%，并将寄生功率降低了49.5%[25]。对于高功率密度电堆，密集排列的直通道可以扩大有效反应面积，并简化阴极、阳极和冷却流场之间的匹配。在分配区优化后，一种具有70条通道（每条长275 mm）的平行金属双极板将阴极和阳极压降分别降低了56.4%和37.4%[26]。尽管较低的通道压差可能导致流量分配不均和局部水滞留，但这些缺点可通过几何和表面改性加以缓解；例如，矩形挡板使直通道电池性能提高了约3.1%[27]。多点原位测量进一步表明，规则通道便于表征瞬态水热响应并支持运行控制[28]。

基于商业化直通道在低压降和可制造性方面的优势，气体分配区（GDZ）作为入/出口端口与活性流场之间的非反应性过渡区，承担分配总流量、均衡各支路流量、调节压力和收集排出液态水的功能，从而直接决定平行通道的入口边界条件[29]，[30]。其设计概念最初应用于微反应器、微通道换热器和电子冷却设备，主要以膨胀储气腔、锥形歧管和分级分支的形式出现。为缓解单入口供应多个平行通道时的流量分配不均问题，该概念随后被引入双极板中，相应结构逐渐从开放储气腔和规则阵列演变为分支式、强制分流和肋-通道混合构型[31]，[32]。由于小面积实验电池中入口扰动相对较弱，GDZ通常被简化为边界条件。此外，由于该区域不直接参与电化学反应、占用有效面积、实验上难以隔离，且可能涉及专有商业设计，现有研究主要聚焦于直接调节肋下质量传输和液态水排出的活性流场[30]，[33]。随着有效面积和平行通道数量的增加，入口射流、流路差异和局部滞止区域显著放大了反应物供给的非均匀性，从而引发局部氧饥饿、水积聚、热点和电流密度分化[29]，[34]。目前GDZ设计正从经验性阵列式构型向区域分级结构、仿生分支和数据驱动的多目标拓扑优化演进。优化后的结构使流均匀性提高了73.21%–90.19%，净输出功率提高了1.19%–1.48%，而分配区和收集区的协同设计使排水效率提高了22.8%[31]，[33]。因此，GDZ已从辅助过渡结构转变为确保大面积商用电池多物理场均匀性和耐久运行的关键设计要素。

上述研究进展表明，尽管在流场构型、运行参数以及水热管理方面已投入大量研究，但对于全板气体分配、反应物传输、膜水合和冷却过程之间多尺度耦合的全面理解仍显不足。为弥补这一差距，本研究建立了一个包含差异化阴极和阳极气体分配区、平行直通道及双侧冷却通道的多相燃料电池模型。在此基础上，首先研究了在GDZ和主通道耦合作用下反应物浓度、流速和液态水分布的空间演化规律，从而阐明平行通道间流量再分配与局部两相传质行为之间的内在关系。随后，分别从反应物供给和电化学负载的角度，考察了运行压力和高电流密度对反应物消耗、膜水合、温度分布和输出性能的协同影响。进而，对比评估了氢气与氧气共流和逆流的供给方式，以阐明互补性反应物浓度梯度在调节局部电化学反应空间均匀性方面的作用。最后，引入双侧冷却回路，系统评估了冷却液流向、反应热生成、膜温度分布和阴极排水行为之间的耦合关系。研究结果为实现双极板结构与运行策略的协同优化提供了理论基础，同时兼顾了传质均匀性、水热平衡和辅助能耗。

节选片段

单电池三维计算域及其关键组件的构建

与扩散系数相对较高、消耗速率较低且不直接产生液态水的阳极氢气相比，阴极氧化剂沿流动方向持续消耗。此外，阴极传输同时受到液态水积聚、孔隙堵塞和局部传质阻力增加的制约，使阴极更容易发生氧饥饿、浓差极化和电流密度不均匀性。

阴阳极流场中的质量传输与分布特征

基于2.1节所述的全板流场构型和逆流反应物供给方案，在不引入冷却液的情况下，3.1节进一步研究了GDZ和主反应通道耦合作用下反应物传输的空间非均匀性。

在稳态条件下，当运行压力为1.0 atm、电池电压为0.65 V时，从所有28个通道中在不同距离处提取了截面平均量。

**结论**

本研究开发了一种三维多物理场单电池模型，该模型集成了流道引导的方阵型气体扩散层（GDZ）、多通道直式气体流场（FF）、膜电极组件（MEA）以及两侧冷却通道。系统地研究了反应物传输、液态水迁移、膜水合状态与热管理之间的耦合关系，阐明了运行压力、负载及流向配置对输出性能和空间均匀性的影响。主要结论如下：

**CRediT作者贡献声明**

**秦晶**：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿撰写，软件，项目管理，方法论，资金获取，形式化分析，数据整理，概念构思。

**胡雪芳**：可视化，验证，资源，调查研究。

**李启明**：验证，方法论，形式化分析，概念构思。

**方浩然**：指导监督，软件，数据整理，概念构思。

**曹晶**：软件，资源，形式化分析。

**刘青山**：验证，项目管理，资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢以下项目的支持：青岛黄海学院横向研究项目，2025年（批准号：2025370204000546）、山东省重点研发计划（批准号：2025TSGCCZZB0282）、青岛黄海学院横向研究项目，2024年（批准号：KYH2024181）、上海市新星计划"海上扬帆"专项项目（批准号：24YF2714300）以及中国博士后科学基金会博士后 fellowship 计划。

**作者列表：**

秦晶 | 胡雪芳 | 李启明 | 方浩然 | 曹晶 | 刘青山 | 张勇