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本文构建三维多相非等温数值模型，系统研究强制流式气分布区（GDZ）的脊-道数比、二次分流及斜通道脊长对质子交换膜燃料电池性能的影响。结果表明，1:1脊-道比GDZ使中间层氧分布均匀性提升3.401%，峰值功率密度增加2.29%；二次分流因质量传递受限和液态水积聚效果欠佳；适度延长斜通道脊可平衡气体分布、压降和水管理。
刘青山|彭科欣|刘晓毅|刘建诺|李家轩|司家坤|袁芳芳|傅佩|张勇|陈一松
长安大学汽车学院，中国西安710064
摘要
一个设计良好的气体分布区（GDZ）能够确保反应气体在活性区域内的均匀分布，提高燃料电池（PEMFC）的输出性能，并增强其水管理和热管理能力，从而保证大规模PEMFC的高效稳定运行。本研究重点关注强制流型GDZ的设计。建立了一个三维、多相、非等温的数值模型，并利用该模型系统地研究了GDZ的脊-通道数比、二次分流以及倾斜通道脊长度对电池性能的影响。结果表明，与传统空腔型气体分布区相比，脊-通道数为1:1的GDZ可使气体扩散层中间平面的氧气分布均匀性提高3.401%。这种改进有效抑制了浓度极化现象，从而使PEMFC的峰值功率密度增加了2.29%。进一步的研究发现，由于质量传递限制和液态水积聚，二次流通道脊仅能产生次优性能。采用适当长度的倾斜脊至关重要，因为它能在反应气体分布、压降和水管理之间取得平衡。
引言
在全球致力于实现“碳峰值和碳中和”的背景下，开发多样化能源、推广清洁应用以及减少环境污染已成为社会发展的紧迫任务。质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够直接将化学能转化为电能，由于其高能量转换效率、快速启动能力和环境友好性，被广泛认为是替代内燃机的理想选择[1]、[2]、[3]。然而，PEMFC的大规模商业化仍面临多项技术挑战[4]、[5]、[6]、[7]。其中，优化双极板（BP）的结构设计以改善电池内的热传递和质量传递、电化学反应以及液态水管理，已成为提升PEMFC性能和寿命的关键方法[8]、[9]。一个完整的燃料电池（FC）流场（FF）包括进气/出气集管、气体分布区（GDZ）、由多个单通道组成的流场以及冷却剂流场。尽管在FF部分已经进行了大量研究，但由于大规模FC的多物理场模拟需要较高的计算资源，关于GDZ结构的研究仍然相对不足。实际上，GDZ在实现反应气体均匀分布、促进液态水排出以及提高FC整体输出性能方面起着不可或缺的作用[10]。因此，对GDZ结构进行系统研究和优化对于进一步提升FC的综合性能和服务寿命具有重要的学术和工程价值。
目前，大多数关于GDZ的研究都集中在探索和开发新的GDZ配置上，以实现反应气体的均匀分布、降低质量传递阻力并提高FC的输出性能。刘等人[11]提出了一种微分配器结构，并研究了其尺寸对FC性能的影响。仿真结果显示，在高电流密度区域，微分配器显著提升了性能，最大功率密度随着尺寸的减小而显著增加。张等人[12]提出了一种“1:2:4”的通道-脊结构用于GDZ设计，与空腔型气体分布区（EGDZ）相比，流场中的氧气含量增加了3.1%，且流场中的积水现象得到了显著改善。王等人[13]提出了一种仿生蜘蛛网状的GDZ设计，以改善商用尺寸FC中的两相气液流动均匀性。研究发现，新设计显著降低了速度变化系数并提高了电流密度。王等人[14]提出了一种组合网格型过渡区，与传统设计相比，新设计显著降低了单相和两相流动的速度变化系数，适用于具有较大活性区域的FC。王等人[15]提出了一种改进的平行流场配置，并优化了进气和出气布局以及分支通道的数量。与传统设计相比，FC的最大功率密度、反应物均匀性和电流密度分布分别提高了4.4%、8.5%和31.8%。王等人[16]提出了一种带有滴状GDZ和蜂窝状交错通道的复合流场。研究表明，新流场具有更均匀的反应气体分布和更好的排水能力。张等人[17]研究了一种结合分叉和点阵配置的新型混合结构GDZ，结果显示该混合结构GDZ将流通道中的氧气摩尔浓度（OMC）误差降低了8.17%，实现了更优的质量分布均匀性和输出性能。
一些学者通过开发先进的GDZ结构优化方法和定量评估系统，对GDZ进行了系统优化和分析。刘等人[18]基于他们自主研发的“三维流场和双极板+一维膜电极组件（MEA）”模型，提出了一种结合晶格和强制流特性的混合GDZ设计，用于300平方厘米的FC。与传统设计相比，新GDZ的气体分布均匀性提高了55.5%，功率密度增加了7.6%。肖等人[19]将拓扑优化应用于GDZ设计，以功率密度、电流密度均匀性和压降为目标函数，对GDZ配置进行了多目标拓扑优化。通过三维两相模型的综合验证表明，拓扑优化的GDZ显著提升了FC的性能和排水能力。董等人[20]首次引入了循环数和排水不均匀性来量化物理量的分布均匀性，并研究了GDZ点阵方向、间距和流场结构对反应气体分布和液态水排出的影响。研究发现，当点阵垂直排列且间距在1.2毫米至1.5毫米之间时，可以实现最佳的综合质量传递和排水一致性。郭等人[21]开发了一种拓扑优化方法，旨在改善阴极流场中GDZ的流动均匀性。结果表明，与EGDZ、强制分流GDZ和点阵GDZ相比，拓扑优化的GDZ结构显著提升了流动均匀性，分别提高了73.21%、90.19%和88.56%。优化结构在大规模商用FC中也表现出优异的性能。霍等人[22]采用数字辅助方法优化了大型PEMFC的GDZ结构，优化后流通道中OMC的最大偏差从26.33%降低到3.78%，输出电压提高了7.71毫伏，显著提升了气体分布均匀性和整体电池性能。
一些研究仍集中在传统GDZ的关键几何参数和反应机制上。张等人[23]研究了GDZ点阵基底结构的基形对FC性能的影响。结果表明，圆形点阵分布区的OMC差异最小，且GDZ中点阵基底单元的数量越多，气体流动的复杂性越高。余等人[24]探讨了通道脊和点阵GDZ设计对气体分布均匀性和压降的影响。结果表明，当通道脊类型的GDZ中通道脊的转向角增加到特定角度时，气体流场中的气体分布更加均匀。刘等人[25]提出了一种带有圆形挡板形状子分布区的部分狭窄通道，并研究了子分布区设计对排水效率的影响。研究发现，挡板在子分布区中的形状对排水能力影响较小，而挡板的位置则有显著影响。王等人[26]提出了一种三维两相非等温模型，表明点阵GDZ会导致相邻通道之间的压降。交叉流动显著提高了电极中的OMC和排水能力，有效缓解了反应物饥饿和积水现象。张等人[27]构建了一种带有“点阵”GDZ和波浪形交错流场的金属双极板。通过3D CFD仿真分析得出，该结构改善了气体分布，且与氧气同向流动的冷却剂相结合时性能更优。
通过对现有文献的深入分析，我们发现了先前研究中的以下局限性：关于强制流型通道脊GDZ的研究主要集中在整体配置上，而对基本几何参数（如脊-通道数比）的系统性机制研究和优化仍不够充分。此外，GDZ中二次分流结构内详细几何参数的影响尚未得到充分探索。为填补这些研究空白，本研究致力于对强制流型通道脊GDZ进行详细研究。建立了一个高精度的三维多相非等温模型，能够反映多孔层微观结构对质量传递和反应过程的影响。文章结构如下：第2章介绍了本研究中使用的数值方法，包括模型假设、控制方程、多物种传输模型、催化剂团聚模型和边界条件。第3章详细介绍了计算域的建立、数值实现过程和模型验证。第4章系统分析和讨论了GDZ的脊-通道数比和倾斜通道脊长度对FC性能的影响机制。第5章总结了研究的主要结论。
模型假设
燃料电池的实际运行涉及复杂的物理化学过程，这些过程涉及多个物理场的强烈耦合，如热传递、质量传递和电化学反应。使用计算流体动力学（CFD）数值模型对上述反应细节进行全尺度模拟会显著增加计算负担并影响数值稳定性。因此，考虑到PEMFC的实际工作条件，模型需要引入
计算域
如图1所示，展示了PEMFC的计算域结构，包括双极板（BP）、气体分布区（GDZ）、流场（FF）和膜电极组件（MEA）等关键组件。ABP和CBP都具有通道脊结构。阴极的通道脊配置为“1:2”，而阳极的通道脊配置也为“1:2”。CBP的设计对氧气的传输和扩散、有效的水管理和导电性有显著影响。因此，本研究主要关注
阴极GDZ脊-通道数比对电池性能的影响
为了研究阴极GDZ脊-通道数比对PEMFC性能的影响，建立了一个包含强制流型GDZ的PEMFC模型。以EGDZ作为基准对照组，研究了六个具有不同GDZ脊-通道数比的比较案例，如表7所示。此外，为了降低计算成本，阳极GDZ采用了“1:2”的配置。
图4展示了
结论
本研究开发了一个用于大规模PEMFC的三维、多相、非等温模型。该模型的准确性通过实验数据进行了验证，并随后应用于具有强制流型GDZ的FC。研究重点关注了GDZ的脊-通道数比、二次分流以及倾斜通道脊长度对FC内部质量传递以及水管理和热管理的影响。主要结论如下
作者贡献声明
刘青山：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据整理。彭科欣：撰写 – 原稿撰写、可视化。刘晓毅：方法论、概念化。刘建诺：资源获取、概念化。李家轩：可视化、软件开发。司家坤：软件开发、资源获取。袁芳芳：监督、方法论指导。傅佩：方法论指导、资金筹集。张勇：研究调查、数据分析。陈一松：监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
