基于X射线CT的质子交换膜燃料电池气体扩散层液态水传输动力学建模研究

为解决PEMFCs中液态水管理难题，研究人员采用X射线CT和VOF方法，重建并模拟了GDL内部孔隙结构与流体动力学，揭示了ΔP、接触角及厚度对水传输的影响规律，为优化电池性能提供理论依据。结果表明，TGP-H-60模型需ΔP≥6 kPa才能实现水突破，且接触角90°–120°、孔隙连通性及厚度设计是提升排水效率的关键。

　　

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效、环保的特性被誉为21世纪最具潜力的能源技术之一，但其核心挑战之一在于水管理——过多的液态水滞留会导致“水淹”（flooding），阻碍反应气体传输，而水分不足又会影响质子交换膜（PEM）的导电性。气体扩散层（GDL）作为PEMFCs中厚度最大且承担流体传输的关键部件，其内部液态水的动态行为直接决定电池效率与寿命。然而，GDL内部复杂的碳纤维结构和随机分布的孔隙使得水传输机制难以解析，传统实验方法难以捕捉微观动态。

为解决这一难题，大连理工大学的研究团队联合其他机构，利用X射线微计算机断层扫描（micro-CT）技术对日本Toray公司生产的TGP-H系列GDL进行三维重构，结合计算流体力学中的体积流体法（Volume of Fluid, VOF），首次实现了基于真实孔隙结构的液态水传输动态模拟。研究结果发表在《Fuel》期刊，揭示了压力差、材料润湿性及厚度对水传输的定量影响，为GDL的优化设计提供了精准指导。

研究团队首先通过micro-CT扫描获取GDL的高分辨率二维切片（voxel size=0.2 μm），利用Avizo软件进行三维重建，并采用Simpleware生成包含274万四面体网格的计算模型。通过VOF方法模拟两相流，分析了不同压力差（1–9 kPa）、接触角（90°–130°）及四种GDL厚度（TGP-H-30/60/90/120）下的水饱和度分布与突破行为。

3.1 水饱和度分析
研究发现，TGP-H-60在ΔP=6 kPa时液态水开始突破GDL表面，而接触角从90°增至120°会使突破压力需求升高。Leverett J函数验证显示，模拟结果与实验数据趋势一致，但GDL的非均匀孔隙导致实际水饱和度低于理论预测（Fig. 6）。局部孔隙统计表明，孔径<10 μm的喉道占比35%时显著阻碍排水（Fig. 3）。

3.2 流体动力学行为
毛细指进（capillary fingering）主导了水传输过程：低流速下，接触角增大导致毛细压力升高，水流需克服更大阻力才能侵入孔隙（Fig. 7）。动态模拟捕捉到水滴从雾状聚集到突破的完整过程（Fig. 9），而低连通性区域（如喉道直径9.8 μm的子区域）则形成永久性水滞留（Fig. 8）。

3.3 GDL厚度影响
厚度增加导致平均水饱和度上升，TGP-H-120的中部区域饱和度达0.88（Fig. 13）。尽管厚GDL机械强度更高，但过厚的TGP-H-90和TGP-H-120因孔隙阻塞引发局部水淹（Fig. 14），证实厚度需在机械支撑与流体效率间平衡。

结论与意义
该研究明确了PEMFCs中GDL设计的黄金法则：ΔP≥6 kPa、接触角90°–120°、喉道直径>10 μm及适度减薄可优化排水性能。首次将真实CT重构与VOF模拟结合，突破了传统均质模型局限，为智能GDL（如梯度孔隙设计）的开发提供了方法论基础。未来可进一步研究动态润湿性对气-水协同传输的影响，推动燃料电池商业化进程。