阴离子交换膜燃料电池中温度梯度调控对高性能运行的关键影响

为解决AEMFCs(阴离子交换膜燃料电池)中温度分布不均导致的膜脱水与性能衰减问题，研究人员通过构建3D多物理场模型系统研究了GDLs(气体扩散层)导热特性对电池性能的影响。结果表明：当GDL导热系数超过3 W/(m?K)时可有效降低5°C以上的温度梯度，维持膜充分水合并降低欧姆阻抗，为高性能AEMFCs设计提供了热管理优化策略。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，其中阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)因其可使用非贵金属催化剂和低成本材料的优势，被视为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的理想替代方案。然而这项技术商业化面临的核心挑战在于——温度分布不均会引发膜脱水，导致离子传导率下降和材料加速老化，而过度冷却又会抑制电化学反应速率，这种精密的"温度平衡术"成为制约AEMFCs性能提升的关键瓶颈。

武汉大学的研究团队在《Renewable Energy》发表的研究中，创新性地构建了三维非等温多相AEMFCs模型，通过COMSOL 6.0仿真平台系统分析了各向同性与各向异性GDLs的导热特性对电池性能的影响机制。研究采用计算流体力学方法耦合电化学-热传导-质量传递多场模型，重点考察了GDLs在平面内(in-plane)与穿透面(through-plane)两个维度的热导率差异对温度场分布的调控作用。

Cell performance

当GDL呈现各向同性导热特性时（如金属泡沫材料），热导率超过3 W/(m?K)可使电池峰值功率密度提升27%，这主要归因于热量快速耗散带来的膜水合度改善。对于碳纤维基各向异性GDLs，穿透面热导率提升能显著降低肋条下方5.2°C的温度梯度，而平面热导率主要影响流道下方区域的热分布。

Conclusions

研究发现AEMFCs可耐受的最大温度差阈值为5°C，超过此限值将导致膜脱水引发的欧姆阻抗剧增。各向同性GDLs需维持热导率>3 W/(m?K)，而各向异性材料应优先提升穿透面热导率(>2.1 W/(m?K))以实现肋条区高效散热。该研究首次量化了温度梯度与性能衰减的关联规律，为开发新型金属泡沫集成化GDL设计提供了理论依据。

这项工作的科学价值在于揭示了热-水管理耦合作用机制：通过GDL导热特性优化，可实现温度场均匀分布(ΔT<5°C)→维持膜适度水合→降低离子阻抗→提升输出性能的级联优化路径。研究提出的热导率阈值标准，对指导高功率密度AEMFCs的工程化设计具有重要实践意义，特别是为金属泡沫基集成流场-GDL结构的开发奠定了理论基础。