主要内容

  质子交换膜燃料电池由阳极和阴极两侧的催化剂层，质子传导膜，两侧的气体扩散层（GDL）以及供给反应物和去除产物的气体通道组成。GDL（多孔结构）有三个主要作用：将化学反应物从气体通道转移到催化剂层、从催化剂层到双极板的热传导和电子传递，以及将反应产物转移到气体通道。电池的反应产物水在低温或高电流密度下冷凝成液体，阻碍了部分气体反应物的输送（即水淹现象），其会显着降低电池性能。因此，GDLs中的最佳水管理对于确保电池在高工作电流下的可接受性能和耐用的电池性能至关重要，气体扩散介质的运输性质特征也引起人们关注。

  疏水PTFE薄层可以防止碳纤维水淹，加强水分管理，因此合理的PTFE填充量对气体扩散介质输送性能的影响对于设计和优化GDL的工作条件至关重要。洛桑联邦理工大学Sophia Haussener等人将计算机断层扫描与部分饱和气体扩散介质中的直接孔隙水平数值流体流动模拟相结合，以评估不同饱和度和PTFE填充水平下的运输性质。并同时对这些模型进行对比和半经验验证，利用详细和定量的形态和渗透分析，比较饱和GDLs与不含PTFE的饱和GDLs中的多物理运输。结果表明，疏水涂层不影响空气的相对渗透性和有效扩散性，却显着提高了水的渗透性。

  图文信息

  图1（a）用于原位X射线断层扫描的样品架示意图，（b）4000Pa毛细管压力下水饱和A系列GDL样品的二维扫描图。

  图2（a）断层扫描成像流程图，（b）样本C的3D渲染，（c）同样的处理步骤用于液相分割。

  图3.直接孔隙模拟结果的可视化示例：压力（水平面）和浓度（垂直面）场，流线表示GDL内部曲折的流动路径。

  图4. 初始常压注射期间样品A（虚线，黑色）和C（虚线，黑色）的实验测量饱和度，以及样品A（固体，黑色）和样品C（固体，红色）的模拟计算饱和度

  图5.干燥样品A（黑色）和样品C（红色）的纤维（虚线）和孔隙（实线）的相尺寸分布。

  图6.样品A（a和b）和C（c和d）各自毛细管压力的气相（a和c）和液态水相（b和d）尺寸分布。

  图7.样品A（黑色）和样品C（红色）的平均孔径（实线）和液体（虚线）相尺寸分布随a）毛细管压力和b）饱和度的变化关系。

  图8.（a）气体（实线）和液态水（虚线）相对透平面渗透率（点）和最佳拟合（线）。（b）贯穿平面方向（虚线）和3D（实线）的样品渗滤分析。

  图9.（a）样品A（黑色圆圈）和样品C（红色圆圈）通过直接计算的相对有效贯通面气体扩散系数与饱和度的函数关系，（b）作为孔隙度函数计算的有效相对贯穿面气体扩散率（即气相体积分数）。e2.8和e2.5 /t0.6最适合直接计算迂曲度（平均值），并与文献中提出的已知方程进行比较。

  图10.样品A（a）和样品C（b）中流线曲折度的分布，用于改变毛细管压力。

  图11.直接计算曲折度作为气相体积分数（实心符号）的函数，并通过爱泼斯坦方程扩散率计算间接计算曲折度。与e-0.76的孔隙度相关的拟合（实线和虚线）为直接计算的曲折提供了最佳拟合。

  Highlight

  ●原位X射线计算机断层扫描来表征饱和GDL样品。

  ●疏水涂层增加GDL的相对渗透率和除水性能。

  ●证明了相连接和渗流的重要性。

  ●直接孔隙水平模拟可直观反映流动路径和曲折度。

  参考文献

  Chemical Engineering Science 176（2018） 503–514.