质子交换膜燃料电池具有阶梯式润湿性分布的气体扩散层中毛细排液特征分析：孔隙尺度多组分多相格子玻尔兹曼方法

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Characteristic analysis of capillary drainage in PEMFC gas diffusion layers with stepwise wettability distributions: Pore-scale multicomponent multiphase LBM

　　

• 采用 SC-LBM 模拟 MPL-GDL-GC 域中的水注入/排水过程。
• 对比了均匀 GDL 和阶梯状 GDL 的排水特性。
• 较大的接触角缩短了突破/稳态时间并降低了残余饱和度。
• 下游的高疏水性抑制了界面堆积，提高了平均饱和度。
• 下游的低疏水性加速了突破并降低了饱和度。

引言
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为新一代清洁高效的能量转换装置，在车用动力、分布式发电和便携式电源领域备受期待。这主要归因于它们低温运行、启动响应快、功率密度高以及适合频繁启停和工况快速变化的优势 [1], [2]。然而，要在实际工程中实现大规模长期稳定运行，PEMFC 仍面临成本、寿命和可靠性等多重挑战。其中，阴极侧的水管理问题通常被认为是限制性能和耐久性的关键因素之一 [3]。特别是在易发生水淹的条件下，如高电流密度、动态工况和低温运行，PEMFC 极易出现“水淹现象” [4], [5]。GDL 的排水性能往往成为限制性能进一步提升和寿命延长的“瓶颈” [6]。因此，从多尺度和多物理场角度深入研究气体扩散层的排水机制和润湿性优化原理，对于实现 PEMFC 高功率密度运行、扩大其工况适应性以及增强系统可靠性具有重大理论意义和工程应用价值。

要优化 GDL 的排水性能，首先必须了解其润湿性和毛细行为。许多学者已开展了相关研究，以了解 PEMFC 中 GDL 润湿性对内部排水的影响规律。Gostick 等人 [7] 测量了各种商用 GDL 的毛细压力 - 饱和度曲线。他们发现，无论是否进行聚四氟乙烯（PTFE）处理，纤维骨架都表现出明显的毛细滞后现象——即排水和吸液行为对润湿历史的依赖性——且 PTFE 的含量和分布会改变排水/吸液过程中的突破压力和滞后环形状。Santamaria 等人 [8] 对不同 GDL 表面进行了液滴润湿和解吸实验，系统分析了 GDL 中诸如突破压力、液滴粘附力和液滴脱落速度等参数对两相流的影响，并强调了表面能和粗糙度在动态排水过程中的重要性。Yoshimune 等人 [9] 研究了 GDL 防水涂层和润湿性调控。他们的研究进一步指出，所谓的“防水”GDL 在某种程度上取决于表面能和孔结构的适当协同作用，而非简单地提高疏水性。

除了实验表征外，数值模拟也被广泛应用于探索孔隙尺度排水机制。在 Niu 等人 [10] 的研究中，基于分数体积法（VOF）和两流体法的数值研究表明，在具有混合润湿性的 GDL 中，不同润湿性区域的空间排列会显著改变气 - 水两相通道中液态水的侵入模式，从而影响压降和局部电流密度分布。在 Zhou 等人 [11] 的工作中，使用孔隙网络模型（PNM）将 GDL 理想化为由体和喉孔组成的孔隙网络，并通过侵入 - 排出规则模拟由毛细管驱动的两相流。Gostick 等人 [12] 构建的 GDL 孔隙网络模型表明，孔径大小和润湿性的排列会导致不同的渗流模式，例如稳定驱替（侵入前锋均匀推进）、指状流（水优先通过连通的大孔隙侵入）和明显的毛细滞后行为（排水和吸液行为对润湿历史的依赖性），为解释宏观毛细压力 - 饱和度曲线提供了微观机制基础。Pasaogullari 和 Wang [13] 的经典解析研究表明，GDL 中的液态水传输受相 - 饱和度梯度产生的毛细力控制，为这些孔隙尺度和孔隙网络描述奠定了基础。宏观计算流体力学（CFD）和 PNM 在处理大规模电池和参数扫描方面具有优势，但它们往往依赖经验关联来描述孔隙尺度界面的动力学，难以直接捕捉真实多孔结构中界面演化的细节。

在各种孔隙尺度方法中，格子玻尔兹曼方法（LBM）由于其源自介观动力学、易于处理复杂边界和多相界面以及天然适合并行计算等优点，被广泛用于研究 PEMFC 中的水 - 气两相流 [14], [15]。早期工作，如 Niu 等人 [16]，采用多相多松弛时间（MRT）LBM 研究了理想化 GDL 结构下水 - 气共存条件下的传输过程，验证了 LBM 模型在 GDL 孔隙尺度模拟中的可行性。Hao 和 Cheng [17] 通过多相自由能 LBM 模拟了初始充气 GDL 中的水侵入，系统分析了不同接触角影响的侵入形态和突破饱和度，并指出增加疏水性会使流动更容易发生指状侵入并改变突破时的含水量分布。

随后，Kim 等人 [18] 将 LBM 扩展到微孔层（MPL）/GDL 双层结构，揭示了 MPL 润湿性和孔径分布对不同层间水传输和界面水积聚形态的影响。Deng 等人 [19] 在随机重构的 3D MPL/GDL 结构中引入宏观裂纹，发现 MPL 裂纹及其润湿性在 MPL 与 GDL 界面之间液态水的重新分布和积聚中起到了“优先排水通道”的作用。

过去几年中，实验上涌现出各种具有空间可控润湿性或结构梯度的 GDL 设计。例如，Wen 等人 [20] 提出的 Janus GDL 通过多层过滤和激光钻孔制造了一面疏水一面亲水的双面结构。这种设计在半电池和全电池测试中显著增强了抗水淹能力和峰值功率密度。Calili-Cankir 等人 [21] 通过图案化疏水区在 GDL 内构建宏观可控的排水通道，证明通过合理排列疏水/亲水图案，可以在确保反应气体供应的同时降低局部水饱和度。最近，Can 等人 [22] 提出了一种受拼图启发的图案化 GDL，其中精确图案化的亲水域充当专用水通道，而剩余的疏水域确保气体传输不受阻碍。这进一步证实了合理排列的疏水/亲水图案可以在不牺牲反应气体供应的情况下降低局部水饱和度。

此外，通过构建互穿的亲水和疏水纤维框架，“超薄 GDL 中集成的疏水/亲水网络”设计实现了在相对较小厚度下的稳定气 - 液传输 [23]。在基本保持孔隙结构不变的情况下，利用等离子体氧化调控 GDL 表面氧官能团来精确调整其润湿性分布和电化学性能 [24]。这些实验研究从不同角度证实，GDL 的整体疏水性水平及其在厚度方向和面内方向的润湿性分布对液态水的生成、迁移和排放路径都有至关重要的影响。

近年来，润湿性梯度和分布研究也取得了进展。Wang 等人 [25] 利用随机重构的二维 GDL 结构，设置不同的 PTFE 含量和梯度分布方案，并通过多相 LBM 对比了均匀疏水和阶梯梯度 GDL 的突破时间和稳态饱和度。结果表明，适当的梯度 PTFE 分布可以减少液态水滞留而不显著牺牲气体传输，而过高的疏水性或过强的梯度可能导致通道“过度防水”并抑制排水。Liao 等人 [26] 采用多组分多相 LBM，考虑了具有横向和纵向润湿性梯度的 GDL 中的气体吹扫过程。他们指出，梯度的方向和范围对吹扫后的残余含水量有显著影响，并且在初始含水量较高的条件下，某些阶梯梯度可以显著降低残余饱和度。

最新的工作，例如 Xie 等人 [27] 通过多组分、多相 LBM，研究了构建的 MPL/GDL 微观结构在各种润湿性分布下的排水情况。该研究对比了突破时间、流动路径和稳态饱和度，并根据结果给出了梯度设计建议。然而，该研究侧重于突破时间，对排水形态和整体饱和度演变主要给出了定性描述；未分析每种情况的局部饱和度分布、跨润湿性配置的对比以及毛细压力对饱和度分布的影响，这些方面在本工作中进行了详细探讨。

总之，现有的实验和数值分析在 GDL 结构和润湿性对排水性能影响方面取得了显著进展，但仍存在几处不足。大多数格子玻尔兹曼工作局限于 GDL 内部或 MPL/GDL/气体通道（GC）层内的流动，难以在统一的孔隙尺度框架下解析 MPL、GDL 和 GC 之间的连续排水路径。在润湿性设计方面，研究大多集中在均匀润湿性或单调梯度上。具有不同阶梯润湿性组合的系统相对较少，特别是缺乏针对完整 MPL/GDL/GC 系统的分析。

针对上述问题，本文在 D2Q9 多组分多相 LBM 框架下构建了一个明确覆盖 MPL、GDL 和 GC 的二维孔隙尺度计算域，并统一描述了从液态水注入到流道排出的完整排水路径。通过设置四种均匀疏水 GDL（接触角分别为 100°、110°、120° 和 130°）和四种阶梯润湿性 GDL（100°-120°、120°-100°、100°-110°-120°、120°-110°-100°），系统研究了不同润湿性组合及其空间分布对排水路径和水分布特性的影响。排水性能从液态突破时间、稳态时间、各区域及整体水饱和度演变、残余饱和度等多个指标进行了综合评估。

值得注意的是，商用 GDL 在微观层面通常表现出混合疏水性，由相对亲水的碳纤维和高疏水性的 PTFE 粘结剂组成。本研究中采用的 100°-130° 赋接触角代表处理后多孔介质的“有效”或平均宏观疏水性，而非单个固体组分的固有微观接触角。物理上，实际 GDL 中固有的混合疏水性在流体 - 固体界面引入了局部钉扎效应和增强的毛细滞后。因此，预期微观尺度的液滴动力学比在均匀有效接触角假设下捕捉到的更为复杂和迂回。尽管如此，虽然具体的局部流动路径可能表现出微观尺度的变化，但由结构润湿性梯度决定的总体宏观排水机制，例如沿排水方向逐步降低疏水性以加速液体突破和减少残余水，仍然稳健且基本有效。

依托多组分多相 LBM 在界面捕捉和复杂多孔结构处理方面的优势，本文从孔隙尺度角度揭示了 GDL 润湿性空间分布对 MPL/GDL/GC 协同排水行为的影响机制。它为功能梯度 GDL 的结构设计和 PEMFC 阴极排水优化提供了理论理解和定量证据。与现有文献相比，本工作的主要新颖性在于对不同阶梯润湿性分布下连续 MPL/GDL/GC 排水路径的系统孔隙尺度分析，该分析直接将空间润湿性设计与孔隙尺度排水机制联系起来，为功能梯度 GDL 的制造提供了定量指导。

章节片段：多相格子玻尔兹曼模型概述与选择
LBM 作为一种介观数值方法，通过在离散速度格子上演化分布函数，间接求解宏观 Navier-Stokes 方程。与传统有限体积/有限元方法相比，LBM 具有算法结构简单、易于并行、边界处理灵活以及适合复杂多孔结构等优点。它已被广泛用于模拟孔隙尺度的多相流和多组分分流。

近期模型验证

在将多组分多相D2Q9-SC-LBM模型应用于涉及/MPL/GDL/GC的排水模拟之前，需要通过经典基准算例对模型的界面张力、压力场以及流固润湿性处理进行验证。静态圆形液滴的拉普拉斯定律测试和附着在固体表面液滴的接触角测试是多相LBM领域中最常用的两种验证方法。

接触角为110°的均匀GDL流体排出特性分析

本文首先详细分析了GDL接触角为110°、MPL接触角设定为120°的情况，如第2.3节所述。排水路径见图3（红色代表水，蓝色代表空气，白色代表纤维），其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应时间步4000、10000、23000、70000、92000和138000。从图3中可以明显看出，在第一阶段，当水刚进入MPL时，红色…

结论

本文采用D2Q9多组分多相Shan-Chen LBM，系统地研究了GDL总疏水水平及其沿穿平面方向的阶梯式疏水分布对/MPL/GDL/GC随机重构二维多孔结构上排水行为的影响。本研究所得出的主要结论列举如下：

(1) 在疏水的MPL/GDL结构中，水作为非润湿…

CRediT作者贡献声明

夏峰峰：原始草稿撰写、研究方法、调查研究。李杰：软件、概念化。周陈聪：可视化、资源获取。刘志强：验证、监督。谢楠：审阅与编辑、经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

资助：本工作得到国家自然科学基金委员会[项目编号52206037]和湖南省自然科学基金[项目编号2026JJ81494]的资助。

夏峰峰 | 李杰 | 周陈聪 | 刘志强 | 谢楠