西安交通大学张卓/陶文铨院士：从受压微结构到大面积流场——质子交换膜燃料电池多尺度传输与性能优化研究进展

研究背景

在“双碳”目标和氢能产业加速发展的背景下，质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借低温启动快、功率密度高和产物清洁等优势，正在由示范应用走向重载交通、船舶及固定式发电等高功率场景。提高单电池有效面积并将多个单电池可靠堆叠，是获得更高系统功率的关键路径。然而，夹紧力使气体扩散层（GDL）等多孔电极发生明显且不均匀的变形；冷却边界、流道分配与液态水迁移相互耦合；局部传质恶化最终表现为浓差极化、膜失水和输出性能下降。

关于多尺度问题

西安交通大学团队提出[1,2,3,4]将传热与流动的多尺度问题分为两类：凡是不同尺度上的过程可以用同一组控制方程描写的称为多尺度系统，例如空气冷却的数据中心的传热问题；凡是不同几何区域的过程需要采用不同的控制方程描述的称为多尺度过程，发生在质子交换膜燃料电池中的过程是典型的多尺度过程。质子交换膜燃料电池的数值模拟从宏观单一尺度发展到宏观-细观-微观的耦合是研究方法的一大进步。

GDL位于流道与催化层之间，兼具反应气体输运、产物水排出、电子传导和热量传递等功能，是膜电极中最易受压变形的部件。适度压紧能够降低界面接触电阻，但过度或不均匀压缩会阻塞孔隙、降低渗透率与扩散能力。这种“导电改善—传质受阻”的竞争关系跨越纤维接触、孔网演化、等效输运参数、单电池多物理场乃至大面积流场分配等多个尺度，单一尺度或仅用平均孔隙率修正的模型难以给出可靠解释。围绕这一关键瓶颈，西安交通大学张卓等学者形成了从微结构力学到孔尺度两相流、再到整电池大面积流场设计的系列研究（图1）：通过重构多孔电极（GDL碳纸与CL碳载铂微结构）探究非线性压缩规律，继而建立受压真实微结构上的气—液—热—电输运计算方法获取高精度多相输运关联式，最终把真实变形、冷却边界和流场结构引入大面积PEMFC性能预测与优化，形成了贯通“结构—输运—设计”的多尺度研究链条。

图1 研究思路框架图

研究成果

团队通过差异化精准建模策略，完成了燃料电池多孔电极关键区域微结构重建（图2(a)）：针对气体扩散层（GDL），采用碳纤维随机建模方法还原其多孔纤维网络特征；针对催化剂层（CL），构建碳球-聚合物膜复合重建模型，匹配其组分分布特性；针对 GDL -双极板（BP）界面，结合实测表面形貌数据生成参数化粗糙表面模型，真实复现了界面接触几何特征。基于该模型体系，建立了包含装配压力边界条件的应力分析框架（图 2(b)），获取了各区域受压后的形态变化（图2(c)）。受压后其内部结构趋于致密，碳纤维（GDL）或碳球（CL）间接触位点增多。仿真结果显示，GDL 与 CL 的应力应变曲线均与实验数据高度吻合（图2(d)，偏差≤4.7%），可准确表征堆叠装配压力下多孔电极的真实力学响应。重点探究了电极结构、组分参数对力学性能的调控机制。研究揭示了核心力学规律：GDL形变程度与孔隙率和纤维直径呈正相关，而与碳纸厚度负相关。CL 压缩变形量显著小于 GDL，I/C比对力学性能影响显著。这项工作为解释装配后浓差损失增大而欧姆损失下降提供了直接的微结构依据。

图2 燃料电池多孔电极微结构重构与应力形变规律

在变形微结构基础上，进一步开展多孔电极内多相传递过程仿真（图3(a)）与输运系数提取（图3(b)）。研究聚焦质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆叠装配压力场景，针对多孔电极（气体扩散层 GDL、催化剂层 CL）及双极板（BP）-GDL 界面的热/电传导、气体扩散/渗透、液态水毛细输运等核心传输过程，系统探究压缩变形对其传输性能的调控机制。通过多工况仿真与数据分析，系统阐明了压缩变形与结构参数对多孔电极及 BP-GDL 界面多物理场传输的协同影响规律。压缩通过收窄孔道单调削弱气体扩散与渗透，却因固体纤维接触增多而增强热、电传导。进一步地，明确了关键优化准则（图3(c)）：高孔隙率、大纤维直径、高碳纸厚度对应高渗透率；高孔隙率、小初始厚度与小应变组合利于提升扩散系数；低孔隙率、小初始厚度与高应变组合可增强传导性能。同时，深入揭示了封装载荷作用下传质效率与传导性能的内在权衡效应，提出了新型饱和度-毛细力关联式。这些结论把“材料参数—压缩响应—多相输运”联系起来，为GDL选材与装配压力协同设计提供了依据。

图3 燃料电池压缩多孔电极多相传输规律与输运关联式

基于上述微结构认识，聚焦车用燃料电池大面积应用的核心技术瓶颈，团队成功构建并发展了考虑封装载荷的燃料电池多尺度耦合模型。该模型创新性融合了多孔电极输运系数与气体扩散层非线性应力形变本征属性（微尺度结果），系统建立了涵盖气、水、热、电、力多物理场的单电池性能预测模型（图4(a)），并实现向大面积流场尺度的有效推广，揭示了封装载荷下大面积流场物理演化规律。依托该核心模型，团队围绕流场板结构开展了全方位优化研究，取得系列关键技术突破，具体成果如下：

◆建立了主流区定量缩放优化体系并获行业关注（图4(b)）;

◆创新过渡区混合优化设计方法并实现性能跃升（图4(c)）;

◆优化了冷却流道设计并揭示散热机理（图4(d)）;

◆明确了阴极流场排布与分支数量适配规律（图4(e)）。

研究揭示了压缩、热管理与流场结构之间更复杂的耦合：压缩主要通过降低GDL孔隙率和渗透率加剧浓差损失；冷却边界可能因膜失水增加欧姆损失，同时升温又会略微降低活化损失。提高冷却液入口温度总体上降低输出电压，提高入口速度则可减轻膜失水并改善性能，流向对全局热平衡和输出影响相对有限。支路数过多会造成严重氧气分配不均，最高可带来42.2%的性能下降。由此可见，大面积PEMFC不能将结构夹紧、冷却设计和流道设计割裂处理，必须以三类电压损失为桥梁开展协同优化。

图4 考虑力学效应的多尺度模型发展及大面积流场设计

总结与展望

该系列工作围绕PEMFC由单电池走向高功率、大面积应用时的核心传输难题，建立了一条清晰的递进路径：从纤维接触和孔隙压缩解释GDL非线性力学行为；在真实受压结构上获得气、液、热、电输运规律；以新的孔尺度关联式提升宏观两相流与性能预测；最终将装配变形、热管理、主流区放大和过渡区设计统一到大面积电池优化中。系统揭示了“力学变形-传输性能”内在关联及传质-传导权衡效应，建立了微尺度机理与宏观性能的跨尺度关联，为燃料电池电极结构设计、装配压力优化、流场板改进提供了关键理论支撑。本文所建立的多物理场耦合计算方法与传输性能量化模型，已实施应用于合作企业（陕西旭氢时代）电堆设计分析中。所揭示的传输机理与优化规律，为工程实践中装配压力调控、电极微观结构设计提供了关键理论依据，对提升 PEMFC 整体输出性能、推动氢能利用技术产业化具有重要实践价值。

未来可进一步面向电堆级非均匀夹紧、循环载荷与材料老化，引入原位成像和局部电流/温度测量对模型进行多场验证；同时结合数据同化、降阶模型与智能优化，在满足寿命、泵耗和热安全约束的条件下实现流场、冷却板、GDL参数和装配载荷的多目标协同设计。随着高功率燃料电池向更大面积和更高电流密度发展，这套多尺度方法有望为材料筛选、部件设计和系统运行提供统一的数字化基础。

论文信息

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作者介绍

张卓，入选博士后创新人才支持计划（2024），西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程系助理教授（校青秀计划），主要从事氢燃料电池多尺度传输、多物理场耦合、两相流动及性能优化研究。围绕质子交换膜燃料电池多孔电极受压变形、孔尺度传输关联、单电池性能预测和大面积流场设计开展了连续研究。攻博期间和从事工作以来，申请人共发表学术论文近50篇，第一作者/通讯作者论文20篇，主要发表在Appl. Energy、Energy Convers. Manag. 和Int. J. Heat Mass Transf.等能源及热流领域顶尖期刊。担任《Carbon Neutrality》等期刊青年编委。曾获西安交通大学优秀博士论文，“亚洲计算流动与传热会议最佳论文”（2次）等荣誉奖励。主持国家自然科学基金青C、中国博士后科学基金会博士后面上、基本科研业务费基础研究专项项目（自由探索教师类）、陕西省博士后特等科研资助等项目。

联系方式：zhuozhang@xjtu.edu.cn