燃料电池因其高效率和低排放特性而在环保能源生产系统中脱颖而出。特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够满足从便携设备到运输应用的广泛能源需求[1]。近年来，随着对氢经济和零排放目标的关注增加，旨在提高PEMFC技术性能和可靠性的研究也加快了[2]。然而，燃料电池的性能不仅受电化学反应动力学的影响，还受到电池内部质量和电荷传输过程以及直接影响电气损失的机械装配条件和运行参数的强烈影响[3,4]。因此，装配引起的接触压力分布对电池性能的影响最近成为一个独立的研究领域，系统分类和标准化机械模型的需求也得到了强调[[5], [6], [7]]。
在PEMFC堆栈中，通过端板和螺栓分布施加的夹紧力被认为是确保机械完整性的基本设计参数[[8], [9], [10]]。端板压缩电池组件，防止气体泄漏，并降低接触电阻，从而提高电化学效率。然而，施加力的大小和分布至关重要。过大的夹紧力可能导致膜电极组件（MEA）和气体扩散层（GDL）变形，从而降低孔隙率并限制质量传输；而压缩不足则可能导致气体泄漏和接触电阻增加，最终导致性能下降[[11], [12], [13]]。因此，确定最佳的夹紧力是PEMFC堆栈设计的基本要求[14,15]。
螺栓的数量、它们的布置以及施加的扭矩直接影响电池上的夹紧力分布[[16], [17], [18]]。不均匀的压力分布会导致反应物流动不均和电流密度分布不均，从而降低功率密度。此外，端板力和螺栓配置可能会与温度、气体流速和压力等运行参数相互作用，直接影响包括内阻、电流密度和功率密度在内的关键性能指标[19]。
文献中广泛研究了装配压力对GDL变形、孔隙率变化和接触电阻的影响[20]。张等人报告称，增加装配负荷会在高电流密度下降低GDL孔隙率并加剧质量传输限制[21]。周等人进行的有限元分析表明，夹紧力显著影响GDL的变形分布，从而影响反应物传输和电导率[22,23]。同样，马等人表明，增加装配压力会在MEA和GDL中引起弹性-塑性变形，从而改变电接触和热接触电阻[24]。这些研究表明，虽然压缩可以通过降低接触电阻在一定程度上提高性能，但过高的压力可能会由于孔隙收缩而不利地影响质量传输。此外，巴兹拉克等人报告称，压缩会改变GDL的微观结构，影响孔径分布，并影响液态水的传输，高压缩水平会阻碍水分去除并增加积水风险[25]。在这种情况下，还提出了替代的夹紧机制以改善压力分布的均匀性[26,27]。
接触压力分布的均匀性也被确定为影响性能的关键参数[[28], [29], [30], [31]]。任等人证明，MEA上的接触压力均匀性对性能起着决定性作用，确定最佳分布范围为5000–6250 N[32]。杨等人报告称，夹紧压力不仅影响接触电阻，还影响催化剂层内的反应物分布和电流密度均匀性[33]。同样，苏等人观察到在最佳扭矩水平下性能有所改善，而更高的扭矩值会导致GDL压缩过度，从而降低功率密度[34]。乌宗杜鲁坎等人进一步表明，均匀分布的压力可以限制MEA变形并保持GDL孔隙率[35]。
尽管取得了这些进展，但现有研究的很大一部分是在固定和理想化的运行条件下检验机械装配参数，或者在没有验证机械压力分布均匀性的情况下评估运行参数。在实现机械上均匀的接触压力条件后，使用多变量方法系统分析运行参数之间相互作用（协同效应）的研究仍然有限。因此，机械设计与运行条件之间的综合关系尚未得到充分阐明。
在我们之前的研究[36]中，使用中心八螺栓（8b）配置的不锈钢端板实现了均匀的接触压力分布，并通过实验验证了最佳机械结构。基于这一经过机械验证的基线，本研究系统地探讨了温度、阳极和阴极气体流速以及夹紧扭矩对这些参数对PEMFC性能的影响。
与之前独立研究机械设计和运行参数的不同，本研究在确认的压力均匀条件下建立了一个集成的热-机械-运行框架。本研究的主要贡献可以总结如下：
1.建立了一个经过机械优化并通过实验验证的均匀压力配置作为性能分析的基线[36]。
2.使用系统的多变量方法定量确定温度、气体流速和夹紧扭矩之间的相互作用效应。
3.识别机械压缩与运行参数之间的协同关系，并阐明它们对内阻和功率密度的影响。
4.为PEMFC堆栈设计中机械参数和运行参数的同时优化提供了面向设计的工程视角。
实验方法
选择合适的端板、配置和夹紧力对于最小化欧姆电阻和确定最佳配置至关重要。然而，一旦确定了最佳配置，还必须系统地评估运行条件对燃料电池性能的影响。在Y?lg?n等人（2025）的研究中，采用了不锈钢和中心螺栓布置（8b配置）（图1a）的组合
