随着全球碳中和目标的推进，氢气作为一种清洁、高效、可再生的能源载体，受到了政府和行业的日益关注[1]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率和快速启动能力，被视为交通运输和分布式电源应用中的有前景的能量转换装置[2]。此外，它们还具有高功率密度，并且在运行过程中不产生污染物排放[3]。
然而，PEMFC的大规模商业化仍受到若干技术挑战的阻碍，其中水热耦合管理是影响性能[4]、耐用性和成本[5]的关键因素。PEMFC中的电化学反应是放热的：大约50–60%的化学能以热的形式释放[6]。如果这些热量不能有效去除，内部温度会上升，从而对电池运行产生不利影响[7]。过高的温度会导致膜脱水，降低质子传导性并增加欧姆电阻[8]。长期暴露在高温下还会加速膜和催化剂层的降解，最终缩短电池寿命[9]。因此，有效的热管理对于将工作温度维持在适当范围内并防止局部过热至关重要[10]。水管理同样重要，因为膜的水合状态直接影响质子传输[11]。水分不足会导致离子电阻增加，而过多的液态水积累则会导致阴极积水，阻碍反应物的传输[12]。因此，保持热量和水的平衡分布对于燃料电池的稳定高效运行至关重要[13]。
在死端模式（DEM）下，为了提高氢气的利用率并简化系统结构，阳极或阴极出口被密封，并通过周期性排放阀去除积累的液态水和惰性气体杂质[14]。尽管死端运行显著提高了氢气的利用率，但它也带来了水管理方面的挑战：由于进气干燥、流速高以及电渗透作用，入口区域容易发生膜干燥[15]；而出口区域则因反应产生的水积累和气体流速降低而容易积水，导致气体扩散层（GDL）和流道堵塞，阻碍反应物向催化剂层的传输[16]。这些轴向的水分和温度不均匀性会导致电流密度分布不均、局部过热，甚至在极端条件下出现反向电流[17]。这些现象会加速催化剂降解、碳腐蚀以及质子交换膜（PEM）的老化，最终缩短电池寿命[18]。
传统的PEMFC系统通常采用集成冷却方式，即冷却剂以恒定温度流经双极板中的通道来带走反应热[19]。一些研究通过调整入口冷却剂温度、基于模型的解耦控制[20]、具有增强传热能力的先进冷却剂[21]，以及在动态条件下的自适应或预测性温度控制策略[22]来改进这些系统。虽然这些方法可以满足基本的热量去除需求并改善系统层面的温度调节，但它们仍然受到在整个电池上应用单一均匀冷却温度的限制。在实际运行中，反应物的逐渐消耗和产物水的下游积累会导致气体、液态水和温度沿流动方向的显著空间非均匀性[23]。这通常会导致入口处膜脱水，出口处液态水积聚[24]。加强整体冷却以抑制出口积水往往会使入口膜干燥加剧，而放松冷却以减轻入口脱水则会影响下游的水分去除。这种内在的权衡限制了集成冷却策略的有效性，并导致电池内部反复出现湿干循环和局部热应力[25]。
为了解决这一限制，相关研究探索了温度梯度设计或局部增强冷却方法来影响内部的水分和热量分布[26]。这些研究表明，空间温度变化可以影响局部水分行为，在某些情况下甚至可以改善电化学性能。然而，在大多数报道的配置中，温度梯度是由反应热被动产生的；温度非均匀性是通过结构特征或运行条件间接引入的，而不是通过独立的热控制实现的。因此，空间温度分布与负载、反应物化学计量比和加湿条件紧密相关，使得在长时间运行中难以进行一致的调节和再现。这限制了它们在系统耐久性评估中的适用性，特别是在死端运行条件下。
为了克服这些挑战并实现局部凝结和蒸发的可控性，本研究提出并实验验证了一种主动控制的多区域冷却（MZC）策略，用于死端条件下的PEMFC。该方法通过空间差异化的热控制主动调节内部水分分布。核心思想是根据水热分布的空间异质性将电池划分为多个独立温度控制的区域，并为每个区域应用不同的冷却设定点。如图1所示，电池沿气体流动方向（垂直轴）被划分为三个部分——顶部（入口）、中部和底部（出口），每个部分由独立的冷却循环回路供应，从而实现精确且解耦的温度控制。这种分区冷却设计能够精细调节内部的水热状态[27]。具体来说，在顶部区域应用较低的温度可以降低局部饱和蒸汽压，促进水蒸气凝结，从而补充MEA的水合并减轻由干燥的进气、高流速和电渗透作用引起的膜干燥。相反，在底部区域保持较高的温度可以增加局部饱和蒸汽压，加速液态水蒸发，有效缓解出口积水[28]。
本研究旨在设计、构建并验证一种新型的多区域冷却系统及其相关控制策略，通过施加“顶部较冷/底部较热”的温度梯度来主动调节电池的内部水热平衡。该策略减轻了入口处的膜脱水现象和出口处的积水问题，促进了更均匀的水分分布，改善了膜的水合状态，并减少了质量传输和欧姆损耗。结果，电池的整体输出功率和运行寿命得到了显著提升。此外，还利用印刷电路板（PCB）电流映射、光学可视化和电子显微镜系统研究了多区域冷却对死端PEMFC性能和耐用性的影响，并阐明了这些改进的潜在机制。
