质子交换膜燃料电池（PEMFC）的热质传递与电化学性能提升的运营优化策略

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Operational optimization strategy on heat-mass transfer and electrochemical performance for PEMFC

　　摘要
为了在提升性能与降低质子交换膜燃料电池（PEMFC）的浸水/热不均匀性风险之间取得平衡，建立了一个三维多物理场耦合模型，以量化操作参数对电化学性能、水传输和热安全性的耦合影响。该模型通过实验数据进行了验证，偏差小于15%，表明其可靠性。首先，分析了不同操作参数下单一因素对性能的影响。结果表明，操作温度（A）、阳极和阴极之间的相对湿度（B/C）、阴极化学计量比（D）以及操作压力（E）的变化对电池性能和水热分布有显著影响。其次，基于正交实验设计方法，量化评估了不同操作参数对电流密度（Y1）、膜含水量（Y2）、液相饱和度（Y3）和温差（Y4）的敏感性。结果显示，操作压力对上述四个响应值的贡献率分别为85.97%、73.91%、71.86%和87.85%，这意味着操作压力是决定PEMFC输出性能、膜水合、浸水风险和热均匀性的主要控制因素。最后，基于范围分析方法确定了子目标操作优化策略。以性能优先的策略为：A = 353.15 K，B/C = 30%/30%，D = 3 atm；以膜水合优先的策略为：A = 333.15 K，B/C = 90%/90%，D = 3 atm；以防浸水优先的策略为：A = 333.15 K，B/C = 60%/30%，D = 2.5 atm；以热安全优先的策略为：A = 333.15 K，B/C = 90%/30%，D = 2 atm。

引言
质子交换膜燃料电池具有启动快速、效率高和零碳排放等优点，在运输电力和分布式能源系统中展现出广泛的应用前景[1]，[2]。然而，PEMFC的高性能和安全运行不仅取决于反应动力学，还受到膜水合、氧气传输、液态水排放和热量释放的共同限制[3]，[4]。在实际运行中，操作参数是最直接可控的变量[5]。它们对性能和安全性的影响往往是耦合的，甚至存在冲突。例如，温度的升高可能会增强反应动力学，但也会加剧膜脱水和局部过热[6]，[7]；增加进气湿度可以补充膜水，但过度加湿可能会增加阴极浸水的风险[8]，[9]。因此，有必要明确操作参数、性能提升、膜水合、浸水风险和热不均匀性之间的定量关系。基于此，可以为不同的工程需求构建基于目标的工程策略。
目前，操作参数的调节是PEMFC水和热管理中最直接和关键的工程方法之一。这些操作参数不仅改变电化学反应速率和两相水的传输，还影响膜水合、液态水凝结/提取以及局部热量生成分布。这使得能够联合确定电池的输出性能和安全使用寿命。实验观察[10]，[11]，[12]，[13]和数值模拟[14]，[15]，[16]是揭示PEMFC内部水和热传输行为的重要手段。然而，由于PEMFC具有多尺度微观结构，实验方法难以同时获得高精度的膜水、液态水和局部温度分布。因此，需要基于三维多物理数值模型进行操作参数的灵敏度和组合优化分析。在实验表征方面，张等人[17]基于阴极空气自循环实验研究了PEMFC发动机系统，并模拟了操作参数对燃料电池两相水传输和动态输出性能的影响。魏等人[18]开发并验证了一种实验级平衡装置，用于研究操作条件和阴极MPL对PEMFC运行过程中水传输和积聚的实时影响。金等人在PEMFC双极板的阳极和阴极通道中安装了多个微相对湿度和温度（RH/T）传感器，研究了PEMFC在不同加速/减速时间间隔下的温度和水分布特性。然而，大多数现有实验是在流动通道、双极板或全电池尺度上进行的，未能同时测试质子交换膜（PEM）、催化层（CL）和气体扩散层（GDL）内的膜水饱和度、液态水和局部温度。因此，无法定量揭示不同操作参数对水传输、热分布和电化学性能的耦合效应。在数值模拟方面，刘等人[20]进行了三维多相数值模拟，研究了冷却流体流场设计对大型PEMFC水和热管理的影响。周等人[21]提出了一种新的反向正弦波流动通道，并利用数值模拟探索了振幅和周期对PEMFC电化学性能的影响。张等人[22]为水冷PEMFC开发了一维两相多物理场模型，并研究了操作条件对膜电极组件（MEA）内温度和膜含水量分布的影响。然而，现有的数值研究大多关注局部水浸水的机制、流场结构优化等，以及单一结构或单一参数对质量传输行为的影响的解释，并未在统一的3D多物理框架下系统比较参数对性能和安全指标的敏感性。针对不同工程需求的最佳参数匹配方案也缺失。因此，现有模型难以解决工程实践中面临的复杂操作条件问题。最近，PEMFC研究逐渐从单参数分析转向集成建模、多目标优化和组件级结构设计。王等人[23]提出了一种结合灵敏度分析、多目标优化和综合评估的集成方法，考虑了水管理，同时考虑了液态水饱和度、膜含水量和电流密度。张等人[24]开发了一种数据驱动的替代模型，并结合粒子群优化来预测PEMFC性能并优化操作参数。周等人[25]使用机器学习辅助框架生成并筛选了大型流场几何库，证明了优化的流场结构可以改善质量传输和电流密度分布。除了操作和流场优化外，催化层设计也受到了越来越多的关注。杨等人[26]整合了CCL团聚模型、替代模型、NSGA-II和TOPSIS方法，通过考虑电压、氧浓度和CCL水饱和度来优化阴极催化层组成。阮等人[27]结合了异质催化层建模、机器学习和遗传算法来优化低Pt催化层组成，为PEMFC催化层提供了经济有效的设计框架。尽管最近的研究促进了PEMFC建模、优化、流场设计和催化层设计，但大多数研究仍然集中在功率输出、水管理或结构/材料优化方面，而在3D多物理框架下对操作参数对电流密度、膜水合、液相饱和度和热均匀性的耦合效应的研究还不够充分。因此，本研究结合正交实验设计、范围分析、ANOVA和交互作用分析，量化了参数敏感性，并为不同工程要求的PEMFC制定了基于目标的操作策略。

为了解决上述问题，建立了一个具有单一流通道的PEMFC三维多物理场耦合数值模型，以量化操作参数对电化学性能、水传输和热安全性的耦合影响。该模型通过实验数据进行了验证。首先，基于模型分析了不同操作参数下单一因素对PEMFC性能的影响特性。选择了操作温度（A）、阳极/阴极的相对湿度（B）、阴极的化学计量比（C/D）以及操作压力（E）作为关键操作参数。其次，基于正交实验设计方法，量化评估了不同关键操作参数对电流密度（Y1）、膜含水量（Y2）、液相饱和度（Y3）和温差（Y4）的敏感性。最后，基于范围分析方法确定了PEMFC的目标操作优化策略。同时实现了水、热和电性能的协同优化。获得了在高功率、防浸水和长寿命方面的PEMFC工程指导。

单通道PEMFC模型构建
PEMFC主要由双极板（BPs）、气体扩散层（GDLs）、催化层（CLs）、流通道（CHs）和质子交换膜（PEM）组成[[28]，[29]，[30]]。基于上述基本组件，开发了单通道PEMFC模型，以准确有效地进行内部多物理场模拟。建模过程如下：

网格和模型验证
进行了网格独立性测试，以减少网格计算引起的误差。使用了五种不同的网格数量：64、800、130200、247500、423000和567000。操作时的温度为353 K，压力为1 atm。阳极和阴极的入口流量分别为9 × 10^-6 kg/s和6 × 10^-7 kg/s。图2显示了不同网格数量下的极化曲线和膜含水量的比较。结果表明，最大误差为...

单因素影响特性分析和参数优化
PEMFC中的性能和安全指标都是相互耦合的，包括PEMFC内的电化学反应、膜内的质子传导、阴极处的氧气传输、液态水的生成/排除以及热量积累。因此，任何操作参数的变化都会同时影响电池内的水、热和电传输过程。进行单因素分析是为了确定最有效的影响因素...

结论
基于电化学和多孔介质的多场耦合理论，建立了PEMFC单通道的三维多物理场耦合数值模型。该模型的准确性通过实验数据得到了验证。然后，分析了不同操作参数对PEMFC性能的单因素影响特性。此外，还评估了不同操作参数（操作温度（A）、阳极/阴极的相对湿度（B/C）...

术语表
AArea，m2
a水活度
Ci气体物种摩尔浓度，mol·m^-3
Ci参考氢气和氧气的浓度，mol·m^-3
Di氢气和氧气的入口摩尔浓度，mol·m^-3
Dva阳极中的水蒸气扩散系数，m2·s^-1
Dvc阴极中的水蒸气扩散系数，m2·s^-1
Dieff气体有效扩散系数，m2·s^-1
Dmw溶解水的扩散系数，m2·s^-1
Erev可逆电压，V
Ew离子交换物的当量重量，kg·mol^-1
FF法拉第常数，C·mol^-1
HchCRedi作者贡献说明
Suchen Wu：撰写——原始草稿，监督，调查，正式分析。
Lei Zhao：监督，软件，调查。
Xiaosong Cheng：监督，调查。
Chengzhou Huang：监督，调查。
Mengxia Kuai：监督，调查。
Hongqiang Ma：撰写——审阅与编辑，监督，调查。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（52368071、52478515、52566010和52568015）、江西省创新领军人才项目（江西省双千计划，jxsq2023101064和jxsq2023102132）以及江西省自然科学基金项目（20252BAC250050）的支持。

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