本研究在开源CFD平台OpenFOAM上开发了一个三维多相PEM电解池模型。通过将在阳极流道与L/GDL界面处观测到的氧气体积分数分布映射到三维模型中，提出了一种考虑阳极流道内详细两相分布条件的伪耦合方法。流道中的两相分布条件可以通过高速光学图像或VOF仿真结果获得。本研究提出的伪耦合方法可以揭示PEM电解池内的温度和电流密度分布，并应用于新型流场的设计开发和性能预测，同时提出了一种新的双层流场设计，并对流场性能进行评估，发现新型流场的性能相对传统平行流场在电流密度为3 A cm-2时可以提高0.171 V。研究方法VOF模型的计算域和耦合方法的示意图如图2所示。在本研究中，VOF模型的计算域和模型配置与三维模型中的阳极流道保持一致（如图2（a）中的蓝色区域所示）。首先，流道被认为完全被水充满，耦合方法从三维模型开始。当模型稳定时，从通道和L/GDL界面产生的氧气速度被提取为VOF模型的氧气入口边界条件。然后，通过VOF模型的仿真结果获得流道与L/GDL之间界面处的氧气体积分数分布（如图2（b）所示，红色区域表示氧气，蓝色区域表示水）。接着，把从VOF模型获得的液态水饱和度分布作为阳极流道和L/GDL之间接口处的固定边界条件继续进行三维模型的计算，如图2（c）所示。整个计算过程会重复多次以达到动态平衡的结果，值得注意的是，三维模型和VOF模型的时间、空间尺度相差较大，两者很难直接进行耦合，因此此耦合过程被称为伪耦合方法。
本研究通过比较三种不同电流密度条件（0-1、0-2、0-3 A cm-2）下的极化曲线和实验结果以及不同的两相流特性，验证了该模型的可靠性。在相对较低的电流密度下，流道中的两相流几乎可以忽略。如图3 (a)所示，在电流密度为0-1 A cm-2的情况下，对不同温度下的实验数据和三维模型获得的模拟结果之间的极化曲线和欧姆损耗进行了验证，同时说明了三维模型的温度敏感性。如图3 (a)所示, 当电流密度增大到2 A cm-2, 不考虑流道氧气的三维模型开始和实验数据产生差异（如图蓝色曲线），而考虑流道氧气的极化曲线和实验数据吻合较好，表明流道内的两相流对电解池的性能有较大影响。
图5显示了电流密度在3 A cm-2情况下新型流道的两相动力学。最初在流道中积聚的氧气气泡很少，随着氧气量的增加，氧气气泡在流道中传输的过程中会积聚成较大的气泡。当这些气泡运输至梯形管附近，会被梯形连接管通过毛细管压力捕获并在较短时间吸入上部流道。由于新型流场的特殊传输特性，下部流道中容易形成柱塞流的氧气泡绝大多数被吸入上部流道，从而减轻了下方流场中的气体堵塞现象，因此发生在CL层的电化学反应可以得到更充足的水供，大大减少了由于气体堵塞造成的传质损失。
图5 新型流道的两相动力学
借助上述伪耦合方法，图6给出了传统平行流场和新型流场的比较。可以看出，与传统的平行流场相比，新型流场中的氧气分布明显更少，而且，新流场中CL中的平均氧气体积分数要低得多，表明流场中的氧气对装配新型流场电解池中的电化学反应影响较小，结果表明新型流场的性能相对传统平行流场在电流密度为3 A cm-2时可以提高0.171 V。此外新型流场的温度分布和电流密度分布的均匀性也优于传统的平行流场，因此也有望提高电解池的耐久性。
