金属泡沫流场与气体扩散层之间的梯度孔隙率匹配对质子交换膜燃料电池性能的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effects of gradient porosity matching between metal foam flow fields and gas diffusion layers on proton exchange membrane fuel cell performance

　　

• 梯度金属泡沫增强了阴极侧的氧气传输。• 增大MF-GDL孔隙率可获得最高净功率。• 案例4相比平行流场净功率提高了18.84%。• 寄生损失远低于功率增益。• 案例4有助于降低阴极侧的熵产生。

**引言**

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有多项优势，包括清洁运行、近零空气污染物排放[1]、不受卡诺循环限制的高能量转换效率[2]、快速启动[3]、良好的动态负载响应[4]以及低运行温度[5]。因此，它被认为是极具前景的电力转换设备之一。近年来，PEMFC在汽车、轻型无人机[6]、[7]、便携式电子设备[8]以及混合动力系统[9]、[10]等领域得到了广泛的研究和开发。在PEMFC中，阳极的氢气氧化和阴极的氧气还原共同驱动电化学发电。其典型结构主要由双极板（BPs）和膜电极组件（MEA）组成[11]、[12]。传统双极板通常采用隔筋分隔的平行或蛇形通道来引导反应物传输[13]、[14]。然而，这些结构容易限制隔筋覆盖区域的反应物传输，导致反应物浓度分布不均匀，有效电化学反应面积降低[15]。此外，双极板的高制造成本以及其在PEMFC总质量中的较大占比，在一定程度上限制了PEMFC系统的轻量化发展[16]。

因此，金属泡沫（MF）凭借其高孔隙率、三维互连孔隙结构、优异的热质传递能力、可调渗透性、低成本以及轻量化潜力，在PEMFC流场设计中引起了广泛关注[17]、[18]。相应地，金属泡沫越来越多地被视为一种有前景的多孔流场介质，用于改善PEMFC的结构设计。Kumar等[19]对PEMFC进行了数值研究，表明多孔介质中的曲折路径促进了反应物的再分布，从而产生了更均匀的局部电流密度分布。随后，Kumar等[20]比较了几种多孔流场材料，包括金属泡沫和碳纤维布，发现镍铬泡沫表现出最佳的PEMFC输出性能。Yussef等[21]证明，用基于铝泡沫的双极板取代双通道蛇形流道布局，可将双极板质量降低27.8%，同时将功率密度提高9.9%。Baroutaji等[22]使用聚四氟乙烯（PTFE）涂层对开孔金属泡沫进行了改性，该涂层促进疏水行为并有助于PEMFC内部的水量调节。Bao等[23]对基于金属泡沫的流分配器中的液态水迁移进行了数值分析，报告称尽管排水仍相对较慢，但多孔结构减轻了气体扩散层（GDL）/通道界面的水积聚，改善了局部反应物的可获得性。Zhang等[24]将金属GDL与金属泡沫流场（MFFF）相结合，其研究表明金属GDL表现出更强的液态水排出能力，进一步表明PEMFC流场设计正逐渐向流场-GDL一体化结构发展。然而，这种一体化设计主要展示了多孔流场与GDL结构结合的优势，并未明确探讨其孔隙率梯度方向如何影响气体传输和液态水排出路径的连续性。

近期的基于计算流体力学（CFD）的研究已逐步将流场优化从传统的通道图案比较扩展到空间功能性和混合架构。Hazar等[25]数值比较了几种替代流场图案，表明流场几何形状强烈影响反应物分布、反应利用率和液压损失。其平行M型构型在增加功率密度的同时显著降低了相对于传统蛇形流场的压降。Sevinc和Hazar[26]随后提出了几种功能分区的双极板几何构型，融合了流分叉、横向耦合和内部混合特征。其结果表明不同的几何排列优先改善不同的性能指标，如净功率、温度均匀性和压力损失，突出了PEMFC流场优化的多目标特性。多孔和混合区域的引入进一步扩展了流场的设计自由度。Sevinc和Hazar[27]将开孔多孔区域集成到传统隔筋通道结构中，表明多孔区域改善了反应物利用率和电堆输出，其空间放置位置强烈影响压降-净功率之间的权衡；表现最佳的构型使功率密度和净功率分别提高了约21.5%和17.6%。Sevinc[28]进一步提出了混合蛇形-销钉流场，表明空间组合不同的局部流动功能在不同温度、湿度和压力条件下增强了反应物混合、热均匀性和水量调节，尽管引入了额外的液压阻力。更近期地，Sevinc和Hazar[29]比较了几种仿生流场拓扑结构，发现不同的架构优先改善不同的目标，包括反应物分布、热点缓解、压降降低和净功率。这些研究共同表明，空间定制的流场结构可以有效地重新分配反应物并调节耦合传输行为；然而，其设计变量主要局限于流场几何形状、混合通道拓扑或多孔区域的放置，而非相邻多孔组件之间孔隙率分布的方向性协调。

除了流通道和多孔区域排列的几何定制之外，近期的研究已逐步将多孔流场优化从均匀结构扩展到空间梯度孔隙率和孔径分布。特别是，梯度孔隙率、梯度孔径和孔隙密度分布的优化已被广泛应用于调节反应物传输、水/热管理和PEMFC输出性能。Shin等[30]实验评估了泡沫尺寸在PEMFC中的作用，并开发了一种混合MFFF，表明两种金属泡沫的组合使最大功率相比传统蛇形构型提高了60.1%。Kang等[31]进一步将MFFF优化扩展到梯度孔隙率设计，指出适当的不均匀孔隙率分布使最大功率密度提高了8.23%。Chen等[32]评估了不同压缩比的阴极侧镍泡沫，报告在压缩比为0.38时获得最佳电堆输出。此外，75目（PPI）泡沫结构在反应物气体分布与阴极侧多孔流构型之间提供了更好的对应关系。Zhang等[33]分析了MF的交叉流孔隙率分布，报告递减梯度设计实现了最高功率密度，分别超过均匀孔隙率MFFF和平行流构型2.153%和23.6%。Tao等[34]为大面积PEMFC设计了非均匀孔径MFFF构型，报告对角线递减孔径排列提供了最高输出功率，分别超过平行蛇形构型、均匀孔径35和75 PPI MFFF 111.4%、14.0%和10.6%。

GDL孔隙率是控制PEMFC中反应物扩散、液态水排水和传热的关键微观结构因素。通过其对耦合质量、水和热传输的影响，GDL孔隙率强烈影响PEMFC的稳定运行和整体输出。Roshandel等[35]聚焦于压缩GDL的孔隙率退化，报告压缩使孔隙率降低约23%，同时反应物传输能力降低约10%。Xia等[36]优化了高温PEMFC中的GDL孔隙率，发现最佳孔隙率范围为0.35–0.45，使PEMFC性能提高了7.7%。Jing等[37]分析了不同的GDL孔隙率分布，报告电堆在孔隙率约为0.6时获得最佳性能。他们还发现正向线性梯度孔隙率分布更有利于增强质量传递。Liu等[38]进一步研究了逻辑分级GDL孔隙率分布，证明其改善了氧气输送和排水，相比线性梯度设计获得了4.3%的性能增益。Zhu等[39]研究了非均匀GDL孔隙率分布对水分分布特性的影响，发现沿流动方向的非均匀孔隙率设计有助于改善膜的水分含量分布。Feng等[40]将横向梯度孔隙率设计与均匀孔隙率结构进行比较，结果表明横向梯度设计相比均匀孔隙率结构降低了欧姆损失，功率密度提高了0.93%。

综上所述，金属泡沫流场显著增强了反应物传输能力，对PEMFC输出性能的改善具有积极贡献。同时，定制GDL孔隙率有助于协调PEMFC内部的液态水排出、局部热-质传递和反应分布。先前的研究已表明，梯度金属泡沫流场可以通过重新分配局部渗透性来调节气体传输，而分级GDL孔隙率可以独立地修改氧气扩散、液态水排水和膜水化。也已探索了一体化金属泡沫流场/GDL构型，表明协调相邻多孔组件的潜在好处。然而，这些研究主要聚焦于独立优化流场结构或GDL，或者评估它们的联合使用，而两者沿流动方向孔隙率梯度的方向匹配关系受到的关注要少得多。特别是，当两种多孔组件具有匹配或不匹配的梯度方向时，梯度MFFF产生的传输增强能否通过GDL有效传递仍不清楚。

计算流体力学（CFD）提供了一个有效的框架来解析PEMFC中耦合的热、质量、电荷和水传输过程[41]、[42]。因此，本研究的创新点不在于独立引入梯度多孔结构，而在于系统考察MFFF与GDL之间沿流动方向孔隙率梯度方向的匹配与不匹配。构建了一套统一的构型来区分均匀孔隙率、MFFF递增和递减梯度、同步变化的MF-GDL梯度以及反向的MF-GDL梯度的影响。这种设计能够直接评估MFFF供氧能力与GDL扩散/排水能力之间的空间协调。系统量化了由此产生的对氧气传输、液态水行为、膜水化、热特性、阴极侧热-质传递熵产生和净功率的影响，以阐明孔隙率梯度匹配机制并为一体化流场-GDL孔隙结构设计提供指导。

**章节摘要**

**模型描述**

图1展示了具有阴极侧MFFF的PEMFC的三维计算域和网格离散化。该模型由双极板、气体流通道、质子交换膜（PEM）、催化剂层（CLs）和GDL组成。阴极流场区域采用非均匀孔隙率金属泡沫结构，沿流动方向分为三个具有不同孔隙率和渗透性的多孔区域，从而形成梯度孔隙率流场设计。

**结果与讨论**

相对于传统的隔筋分隔通道布局，金属泡沫的连续多孔结构提供了更多微尺度传输路径，从而缓解了隔筋覆盖区域的质量传递限制并改善了反应物分布的均匀性。分级GDL孔隙率进一步重塑了流场与催化剂层之间的耦合氧气传输、排水和传热过程。因此，匹配的孔隙率梯度能够协调调节

**结论**

本研究系统考察了MFFF与GDL之间匹配和不匹配的沿流动方向孔隙率梯度方向对PEMFC传输行为、水/热管理、不可逆损失和净功率输出的影响。重点在于两个多孔组件之间的方向协调，而非独立引入梯度孔隙率。主要结论总结如下：

（1）MFFF提供了连续的多孔传输路径

**CRediT作者贡献声明**

吴丰余：论文撰写—初稿、验证、方法、调查研究、形式分析。李泽轩：论文撰写—审阅与编辑、监督、资源。赵听冬：软件、资源、形式分析。王雨霖：软件、资源、形式分析。张本西：论文撰写—审阅与编辑、监督、资源。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文所报告的工作。

**致谢**

本研究部分由京津冀基础研究合作专项（编号E2024202285）和河北省研究生创新基金计划（CXZZSS2027011）资助。

吴丰余|李泽轩|赵听冬|王雨霖|张本西|赵育龙