梯度孔隙气体扩散层对聚合物电解质燃料电池性能的优化机制研究

本研究针对聚合物电解质燃料电池(PEFC)中水管理和反应物传输的关键问题，通过建立三维模型系统分析了阴极梯度孔隙气体扩散层(GDL)在不同湿度条件和厚度下的性能影响。研究发现低孔隙率靠近催化剂层(CL)、高孔隙率靠近双极板(BP)的GDL结构能显著提升电池性能，为设计高效GDL结构提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源结构转型加速，聚合物电解质燃料电池(PEFC)因其高能量密度和零排放特性成为清洁能源研究热点。然而，商业化进程仍受制于膜降解、催化剂失活和水分管理失衡等关键挑战。特别是在高电流密度运行时，阴极催化剂层(CL)产生的液态水易引发电极"水淹"，而干燥条件又会导致质子交换膜(PEM)脱水，这种两难境地使得气体扩散层(GDL)的设计成为突破PEFC性能瓶颈的核心环节。

传统均质GDL结构难以兼顾水管理需求，Aston University的Isaac Okereke团队在《Renewable Energy》发表的研究，创新性地通过三维多相模型揭示了梯度孔隙GDL的优化机制。研究团队采用ANSYS Fluent 2023R2软件构建包含双极板、流道、GDL和催化剂层的全尺寸PEFC模型，通过用户自定义函数(UDF)实现孔隙梯度调控，结合SIMPLE算法求解质量、动量、能量等多物理场耦合方程。研究特别关注了300μm和200μm两种GDL厚度下，五种孔隙分布方案在不同相对湿度(RH)组合中的性能表现。

模型验证与基准分析

通过对比Wang等学者的实验数据，验证了模型在极化曲线预测上的准确性。基准测试显示，当阴极GDL采用靠近CL侧孔隙率0.3、靠近BP侧0.7的梯度设计时，电池性能最优。这种结构使阴极催化剂层水活性提升至1.064（均质GDL为1.010），有效维持膜水合状态。在0.35V工作电压下，该结构的局部电流密度峰值出现在流道与集流肋的界面区域，氧消耗率提高23%。

湿度敏感性研究

在RH_a=100%/RH_c=50%的特定条件下，孔隙率0.7-0.5的梯度设计表现最佳，其阴极催化剂层水活性达1.080，比基准案例高7.3%。相反，在干燥条件(RH=50%)下，高CL侧孔隙率的GDL会导致膜脱水，使性能下降12%。值得注意的是，任何形式的孔隙梯度在高湿度环境(RH=100%)下都比均质GDL更具优势，这颠覆了传统认为高孔隙率必然导致水淹的认知。

厚度效应解析

当GDL厚度减至200μm时，最优性能方案逆转为CL侧0.7/BP侧0.3的孔隙分布。薄型化使氧扩散路径缩短，此时高CL侧孔隙率可提供更充分的氧供应，而低BP侧孔隙率仍能保持必要的水保留。模拟数据显示，这种配置在1A/cm²电流密度下，氧浓度分布均匀性提升40%。

这项研究通过多参数系统分析，证实梯度孔隙GDL能动态调节PEFC内的水-气平衡：低CL侧孔隙率像"海绵"般维持膜湿润，高BP侧孔隙率如"高速公路"加速产物水排出。该发现为应对PEFC商业化面临的"水淹-脱水"悖论提供了创新解决方案，特别对开发适应多变工况的智能GDL结构具有指导意义。未来研究可结合金属泡沫等新型材料，进一步探索孔隙梯度的动态响应机制。