主要內容

    質子交換膜燃料電池由陽極和陰極兩側的催化劑層，質子傳導膜，兩側的氣體擴散層（GDL）以及供給反應物和去除產物的氣體通道組成。GDL（多孔結構）有三個主要作用：將化學反應物從氣體通道轉移到催化劑層、從催化劑層到雙極板的熱傳導和電子傳遞，以及將反應產物轉移到氣體通道。電池的反應產物水在低溫或高電流密度下冷凝成液體，阻礙了部分氣體反應物的輸送（即水淹現象），其會顯著降低電池性能。因此，GDLs中的最佳水管理對于確保電池在高工作電流下的可接受性能和耐用的電池性能至關重要，氣體擴散介質的運輸性質特征也引起人們關注。

    疏水PTFE薄層可以防止碳纖維水淹，加強水分管理，因此合理的PTFE填充量對氣體擴散介質輸送性能的影響對于設計和優化GDL的工作條件至關重要。洛桑聯邦理工大學Sophia Haussener等人將計算機斷層掃描與部分飽和氣體擴散介質中的直接孔隙水平數值流體流動模擬相結合，以評估不同飽和度和PTFE填充水平下的運輸性質。并同時對這些模型進行對比和半經驗驗證，利用詳細和定量的形態和滲透分析，比較飽和GDLs與不含PTFE的飽和GDLs中的多物理運輸。結果表明，疏水涂層不影響空氣的相對滲透性和有效擴散性，卻顯著提高了水的滲透性。

    圖文信息

    圖1（a）用于原位X射線斷層掃描的樣品架示意圖，（b）4000Pa毛細管壓力下水飽和A系列GDL樣品的二維掃描圖。

    圖2（a）斷層掃描成像流程圖，（b）樣本C的3D渲染，（c）同樣的處理步驟用于液相分割。

    圖3.直接孔隙模擬結果的可視化示例：壓力（水平面）和濃度（垂直面）場，流線表示GDL內部曲折的流動路徑。

    圖4. 初始常壓注射期間樣品A（虛線，黑色）和C（虛線，黑色）的實驗測量飽和度，以及樣品A（固體，黑色）和樣品C（固體，紅色）的模擬計算飽和度

    圖5.干燥樣品A（黑色）和樣品C（紅色）的纖維（虛線）和孔隙（實線）的相尺寸分布。

    圖6.樣品A（a和b）和C（c和d）各自毛細管壓力的氣相（a和c）和液態水相（b和d）尺寸分布。

    圖7.樣品A（黑色）和樣品C（紅色）的平均孔徑（實線）和液體（虛線）相尺寸分布隨a）毛細管壓力和b）飽和度的變化關系。

    圖8.（a）氣體（實線）和液態水（虛線）相對透平面滲透率（點）和最佳擬合（線）。（b）貫穿平面方向（虛線）和3D（實線）的樣品滲濾分析。

    圖9.（a）樣品A（黑色圓圈）和樣品C（紅色圓圈）通過直接計算的相對有效貫通面氣體擴散系數與飽和度的函數關系，（b）作為孔隙度函數計算的有效相對貫穿面氣體擴散率（即氣相體積分數）。e2.8和e2.5 /t0.6最適合直接計算迂曲度（平均值），并與文獻中提出的已知方程進行比較。

    圖10.樣品A（a）和樣品C（b）中流線曲折度的分布，用于改變毛細管壓力。

    圖11.直接計算曲折度作為氣相體積分數（實心符號）的函數，并通過愛潑斯坦方程擴散率計算間接計算曲折度。與e-0.76的孔隙度相關的擬合（實線和虛線）為直接計算的曲折提供了最佳擬合。

    Highlight

    ●原位X射線計算機斷層掃描來表征飽和GDL樣品。

    ●疏水涂層增加GDL的相對滲透率和除水性能。

    ●證明了相連接和滲流的重要性。

    ●直接孔隙水平模擬可直觀反映流動路徑和曲折度。

    參考文獻

    Chemical Engineering Science 176（2018） 503–514.