质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效且环保的能量转换系统，特别是在交通运输、便携式电子设备和固定式发电领域，由于其紧凑的设计、快速启动特性和零排放输出而受到广泛关注[1]、[2]。大量的研究工作集中在通过材料创新和流场设计优化来提高燃料电池的电化学性能和质量传输[3]。然而，一些关键的技术和经济挑战——尤其是与双极板（BP）设计相关的问题——仍然限制了其大规模商业化[4]。
双极板占PEMFC堆栈重量和体积的近80%，承担着气体分配、水管理、电子传导和机械支撑等多种功能[5]。虽然基于石墨的双极板具有优异的耐腐蚀性和导电性，但它们存在脆性、机械强度低以及微通道制造困难的问题。金属双极板则具有更好的机械强度和更高的热导率及电导率，并且可以制成薄型结构。然而，它们在酸性、潮湿环境中的耐腐蚀性较差，需要复杂的涂层，这可能会增加界面接触电阻和生产成本[6]。
为了解决这些问题，最近的研究重点在于优化流场设计以及材料组成。在这方面，开放孔隙的金属泡沫因其高度多孔且相互连接的3D结构而受到关注，这种结构能够实现各向同性的质量传输和更好的排水效果[7]。它们的高表面积还有助于在整个膜电极组件（MEA）中实现均匀的反应物分布和热管理，从而提高性能稳定性。
研究表明，将多孔材料集成到流场中可以显著提高功率密度、水分去除和电流分布。例如，Zhang等人[8]通过将气体扩散层和双极板结合到一个金属泡沫结构中，开发了一种无GDL的PEMFC架构，实现了更好的质量传输和更低的欧姆电阻。Wu等人[9]使用X射线CT和中子成像技术发现，优化压缩的金属泡沫结构可以改善水管理并降低接触电阻。类似地，Shin等人[10]通过实验研究了不同的金属泡沫作为流场分布材料，发现与传统蛇形设计相比，功率密度提高了多达60%。Wan等人[11]进一步证明了选择性定位多孔材料的重要性。他们发现，将泡沫放置在阳极侧可以获得更好的性能提升，而在阴极侧使用则可能增加潮湿条件下的积水风险。
除了实验结果外，计算研究也为多孔流场内的传输行为提供了宝贵的见解。Bao等人[12]利用两相建模分析了金属泡沫中的气体和液体传输，强调了它们在保持均匀物种分布的同时减少积水的能力。Awin和Dukhan[13]在相同条件下比较了多孔和蛇形设计，发现金属泡沫结构提高了温度均匀性、降低了组件重量并提高了燃料效率。然而，完全多孔的配置也有缺点：经常报告接触电阻增加、制造困难和压降增大[14]、[15]。
为了克服传统设计和完全多孔设计的局限性，提出了混合流场架构。这些架构选择性地将多孔区域集成到传统的肋槽几何结构中，以利用两种结构的优点。例如，Yang等人[16]将铜金属泡沫嵌入到石墨复合板中，形成了一个协同导电网络，降低了单位面积的电阻并提高了电化学性能。
金属泡沫生产和加工技术的最新进展进一步增加了将多孔材料集成到燃料电池设计中的可行性[17]、[18]。现在有各种孔径的开放孔隙金属泡沫可供选择，并且可以通过冲压或激光加工轻松成型，适合大规模生产。然而，大多数先前的研究是将多孔材料应用于流场的整个活性区域，这可能导致过大的压降、不均匀的压缩和制造问题。因此，选择性地集成多孔区域——特别是在容易积水或质量传输受限的区域——提供了一种更加平衡和实用的解决方案。
本研究的新颖之处在于设计和评估了独特的混合流场配置，这种配置将开放孔隙的金属泡沫区域与传统的肋槽结构结合在单个双极板中。与以往主要使用完全多孔或完全肋槽流场的研究不同，本研究系统地探索了五种不同的混合配置，这些配置具有不同的多孔区域布局、覆盖比例和界面几何形状。这些模型使用CATIA V5开发并通过ANSYS Fluent进行分析，评估了多种操作条件下的关键性能参数，如电流密度、压降、氧质量分数和反应热分布。除了确定最佳配置外，本研究还介绍和分析了几种文献中尚未提出的新型多孔-肋槽混合几何形状，为下一代PEM燃料电池流场的设计提供了新的思路。
经过详细的比较分析后，制造出了具有最高净功率输出的配置，并通过实验进行了验证，以确认数值结果的准确性。实验结果支持了模型预测与实际测量极化行为之间的一致性。然而，需要注意的是，本研究采用的是单相模型。因此，结果应主要被视为对中等负载下几何形状引起的传输和性能差异的趋势性理解，而不是对两相水管理行为的完全预测性描述。在这个背景下，所提出的混合流场概念为未来的PEMFC开发和优化研究提供了有用的设计指导。
