在本公众号前期文章中，我们曾详细介绍过基于CFD仿真技术建立的质子交换膜燃料电池三维多相模型，并利用该模型对三维精细化流场和车用流场设计进行了细致的讨论（详见：CFD仿真技术揭秘3D流场和车用质子交换膜燃料电池流场如何设计—你可能需要的大尺度CFD仿真分析技术）。本期，我们将利用文献中公开发表的实验数据对该模型进行详细的实验验证，特别是电流密度分布的验证。

长期以来，研究学者大多采用表征质子交换膜燃料电池宏观基本性能的极化曲线和各项损失对三维多相模型仿真结果进行验证。但是，很显然，极化曲线及其内部各项损失均为零维，仅仅对此进行验证无法充分说明三维模型的准确性。因此，我们仍需进一步验证电池中某些变量的分布特征。在众多变量中，电流密度分布是表征电池性能的最根本指标，是电池局部电化学反应特性、反应气体浓度、温度以及液态水含量等几乎所有变量的综合反映。在实验测试中，获取燃料电池电流密度可通过将电池中某一部件（如：极板、气体扩散层或集流板）进行分块处理，然后测量每一分块的电流密度得到。具体测量方法有印刷电流板、网路电阻法及基于霍尔效应的电磁感性测试法等。此外，一些无需改变电池结构的电流密度分布测试方法，如：磁感应成像等，在近些年也得到了一定应用。

图 1 极化曲线与欧姆损失验证

在对电池中电流密度分布进行验证之前，我们首先对电池宏观性能（极化曲线与欧姆损失）进行了对比，如图1所示。总体而言，仿真结果与实验结果较为吻合，特别地，由于模型中耦合了催化层结块模型，对氧气在阴极催化层的传输进行了修正，这使得仿真结果可以较为准确地预测电池浓度损失，尤其是在高电流密度区域下。

接下来，我们选取了美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室（下文称“第一组实验”）和加拿大滑铁卢大学（下文称“第二组实验”）的实验结果进行更进一步的电流密度分布验证。实验中应用的流场结构如图2所示，

图 2 流场结构

图 3 不同进气加湿条件下极化曲线对比

在第一组实验中，如图3所示，我们首先对比了50%和25%进气加湿情况下的电池极化曲线，仿真结果与实验结果误差基本均在±5%以内。接下来，我们对电池在50%进气加湿情况下，图3中3组不同电流密度下的电流密度分布进行了对比，结果如图4所示。在该实验中，平面内共100 （10*10）个分块，为更好的显示对比结果，仿真计算结果进行了相应的“粗化”处理，即在每一分块内计算电流密度平均值。更进一步地，我们还对电池在每一行的平均电流密度值进行了定量对比分析，对比结果及误差如图5所示。在电流密度为0.1，1.0和1.2 A cm^-2时，仿真与实验结果平均绝对误差分别为0.017,0.052和0.078 Acm^-2，对应平均相对误差则分别为16.6%， 5.4%和6.3%。此外，图4及图5结果均显示，电池内部电流密度从阴极入口到出口区域逐渐降低，且电流密度越大，其分布不均匀性也越大，这主要是由于电池阴极氧气在沿流动方向逐渐消耗导致浓度降低造成的（图6）。另一方面，从阴极上游到下游区域，液态水含量也逐渐增加，这同时加剧了氧气浓度和电流密度分布的不均匀性。

图 4 不同工作电流密度下电池内部电流密度分布

图 5 不同工作电流密度下电池内部电流密度分布定量对比及误差

图 6 阴极催化层内氧气及液态水分布

接下来，如图7所示，我们对比了电池在不同加湿条件下的电流密度分布。图8表示的则是电池中每一行平均电流密度值的定量对比结果及误差。其中，50%与25%进气加湿条件下的平均绝对误差分别为0.052和0.042 A cm^-2，而平均相对误差则分别为5.4%和4.1%。此外，实验与仿真结果均显示在进气加湿降低时，最高电流密度区域会由阴极入口附近转移至电池中央，这主要是由于进气加湿程度较低时，入口膜态水含量较低（图9），离子传导欧姆损失较大，从而降低电池阴极入口区域性能。

图 7 不同进气加湿条件下电池内部电流密度分布

图8 不同进气加湿条件下电池内部电流密度分布定量对比及误差

图9 不同进气加湿条件下膜内水含量分布

在第二组实验对比中，如图10所示，在进气完全加湿情况下，电池内部电流密度从阴极入口区域到出口逐渐降低，这与第一组实验对比结果所得出的结论相吻合。

图10 不同工作电压下电池内部电流密度分布

总体而言，通过本次实验验证分析，我们基本可以确信：基于第一性原理和CFD仿真技术建立的质子交换膜燃料电池三维多相模型可以获得与实验结果基本相同的电流密度分布。在接下来的研究中，我们将进一步对电池内部液态水、温度等分布进行详细的实验验证。

更多信息请参考原文：

Guobin Zhang, Jingtian Wu, Yun Wang*, Yan Yin, Kui Jiao*. Investigationof current density spatial distribution in PEM fuel cells using a comprehensively validated multi-phase non-isothermal model. InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, 2020, 150: 119294.