基于代表性体积元理论的燃料电池堆接触压力与界面电阻分布优化研究：三维等效模拟与实验验证

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆中双极板(BPP)与膜电极组件(MEA)界面接触压力分布难以精确表征的难题，研究人员创新性地开发了基于代表性体积元(RVE)的三维等效模拟框架。该研究通过40单元316L不锈钢合金堆实验验证，实现接触压力分布90.19%预测精度，揭示1.25-1.67 MPa为最优夹紧力范围，界面接触电阻(ICR)均匀性优化可使实际/理想ICR比降至1.8，为燃料电池堆机械-电化学性能优化提供新方法。

　　

在全球能源转型背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放、高能量密度等优势，成为交通、储能等领域的关键技术。然而，燃料电池堆的性能瓶颈往往源于双极板(BPP)与膜电极组件(MEA)的界面接触特性——这个看似简单的机械接触问题，实则决定着整个系统的能量转换效率。传统二维模型难以捕捉三维压力分布细节，而全尺寸实验和仿真又面临成本高、耗时长等困境，这种"看得见却算不清"的矛盾严重制约着燃料电池性能优化。

针对这一挑战，同济大学汽车学院创新推进实验室的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果。研究人员开创性地将材料科学领域的代表性体积元(RVE)理论引入燃料电池研究，构建了兼顾精度与效率的三维等效模拟框架。通过对40单元燃料电池堆的系统研究，不仅破解了接触压力分布预测的难题，更揭示了机械压力与电化学性能的深层关联。

研究采用多尺度技术路线：首先通过参数化分析确定RVE最优尺寸，建立包含蛇形流场(266mm×116mm活性区域，48流道)的316L不锈钢双极板等效模型；继而开发网格自适应灰度处理算法量化接触压力分布，结合等效电阻网络模型评估电压损失；最后通过自主研发的RCS-1RD19001测试平台进行全堆验证，采用0.01mm分辨率伺服电动压机与机器视觉对准模块确保实验精度。

【有限元分析实现】章节显示，RVE模型将计算时间缩短80.23%的同时，保持90.19%的压缩位移预测精度。灰度矩阵分析表明，传统有限元法会高估边缘区域压力15.7%，而RVE模型更精确反映实际梯度分布。

【实验验证】部分通过压力敏感膜测试证实，中央区域接触压力比边缘高22.3%，且第20层单元压力波动强度比第1层大38.6%，揭示堆叠位置效应。特别设计的等效电阻网络模型量化显示，非均匀压力分布导致输出电压降低达12.4%。

【夹紧力对机械性能的影响】章节得出关键发现：当夹紧力从0.83MPa增至2.08MPa时，实际/理想ICR比从3.2降至1.8，但超过1.67MPa后改善幅度锐减，表明高压区存在优化收益递减现象。流道脊区域接触电阻占总ICR的61.3%，是均匀化调控重点。

【结论】部分指出，1.25-1.67MPa为最优夹紧力窗口，该范围内压力均匀化可使ICR降低44.5%。研究首次建立压力分布波动强度与电压损失的定量关系，当波动系数超过0.35时，浓度极化损失呈指数增长。

这项研究的突破性在于：一方面，RVE框架实现了从"微观接触机理"到"宏观性能预测"的跨尺度贯通，为复杂能源器件的机械-电化学耦合分析树立新范式；另一方面，提出的灰度矩阵-等效电阻联合分析方法，将传统定性压力分布评估提升至定量化水平。该成果不仅为燃料电池堆设计和装配工艺优化提供精确指导，其方法论更可推广至锂离子电池等需要界面接触调控的能源器件领域，具有广泛的工程应用价值。正如研究者强调，在碳中和背景下，这种"以机械优化促电化学性能"的创新思路，为清洁能源设备能效提升开辟了新途径。