基于随机生成的MPL（多孔层）和微CT扫描技术的GDL（气体扩散层）结构中，多相传输机制的建模研究

《Energy》：Modeling study of multiphase transport mechanisms in stochastic generated MPL and micro-CT scanning based GDL structures

　　刘航|黄恒|高帅|吕学成|周志富|吴伟涛|魏雷|郑伟波|李玉柏|宋永辰
中国大连理工大学教育部海洋能源利用与节能重点实验室，大连116024

**摘要**
质子交换膜燃料电池（PEMFC）在高电流密度下容易受到性能限制，这是由于气体和液体传输机制之间的竞争所致。虽然微孔层（MPL）可以降低接触电阻，但它们往往会加剧水淹风险。本研究利用了高度互联的笼状MPL的拓扑优势。通过结合X射线计算机断层扫描（X-CT）和数字技术（重建几何形状和数值模拟），揭示了跨尺度复合微结构内的质量传输机制。考虑到原位压缩和表面润湿性，研究深入探讨了MPL厚度和裂纹形态对多相流动力学的影响。结果表明，尽管由于MPL厚度增加导致Haines跳跃级联而产生显著的非稳态速度波动和液体渗透性降低，但其独特的高孔隙率笼状网络结构仍保持了良好的氧气扩散性能。原位压缩进一步削弱了气体扩散层（GDL）的宏观孔隙传输能力，导致渗透性显著降低。相比之下，裂纹有效地突破了传输瓶颈。垂直通孔通过最短路径效应最大化了氧气扩散效率，而45°倾斜的裂纹在优化气体-液体对流渗透性的同时，实现了液水的定向高速排放。本研究阐明了跨尺度微结构参数的调节机制，为设计结合高气体相扩散和高效排水能力的下一代气体扩散层提供了理论指导。

**引言**
随着人为气候变化的加剧，全球脱碳的紧迫性正推动能源领域向可持续生态系统发展[1]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高功率密度和零排放特性而被广泛认为是汽车电气化和固定发电的最有前景的候选者[2][3]。然而，PEMFC的大规模商业化仍受到未优化组件的阻碍[4][5]。在高电流密度条件下，膜电极组件（MEA）内的热管理和水管理至关重要。阴极产生的液水量通常超过多孔传输介质的排水能力，导致水在孔隙网络中积聚。水淹会严重阻碍反应气体向催化活性部位的传输，从而导致浓度极化并损害电池性能[6][7]。其结构如图1(a)所示。微孔层（MPL）旨在调节毛细压力梯度并防止气体扩散层（GDL）饱和[8]。理解MPL结构和裂纹形态对质量传输的调节机制对于克服MEA内部水淹至关重要。

陈等人[9]使用X射线计算机断层扫描（X-CT）技术和差分成像量化了五种MPL结构的异质性，表明在数值模拟中采用均匀MPL假设可能会导致显著误差。此外，Nanjundappa等人[10][11]利用X射线和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）捕捉了真实的GDL–MPL界面，并开发了一种重建算法，揭示了MPL的存在会显著增加气体传输阻力。Sim等人[12]通过实验验证了较厚的MPL显著降低了质量传输阻力并减轻了水淹现象，20%的侵入率可以在不过度牺牲基底排水能力的情况下确保良好的界面接触。Berger等人[13][14]通过改进的气体扩散测量技术，在宏观实验中数学上分离了仅属于MPL层的有效扩散系数，制备了具有不同类型炭黑和不同润湿性的定制MPL，并发现由高结构度炭黑形成的孔隙网络具有更好的连通性和更低的迂回度。李等人[15]将碳纳米管（CNTs）与炭黑（CB）混合并喷涂在Toray碳纸表面，电池极化测试后发现，CNTs的加入打破了炭黑本身的密集堆叠，其MPL的大孔隙使液水能够快速排出，表现出更低的质量传输阻抗和更高的最终电流密度。Lin等人[16]基于电化学阻抗谱（EIS）极化分析发现，碳粉的类型和CNT的直径对电池性能有很大影响。Nagai等人[17][18]观察到宏观裂纹和人工生成的大孔隙可以通过X射线技术更好地帮助液水排出。Peng等人[19]借鉴了灌溉中的垄沟异质结构，蚀刻出整齐排列的圆锥形孔用于气体扩散电极（GDE），这大大降低了GDE的质量传输阻抗，其推广提高了多种电池的性能。

为了克服多物理场参数解耦的实验限制，并深入研究微观尺度上的质量传输机制，计算流体动力学（CFD）作为一种强大且互补的工具，已被广泛用于分析GDL/MPL内部的复杂结构流动关系。Liu等人[20][21]通过X射线断层扫描重建了GDL的真实3D结构，并通过有限元方法（FEM）计算了垂直平面（TP）和水平平面（IP）方向上的气体传输和固体热导率的明显各向异性。Zou等人[22]通过格子玻尔兹曼方法（LBM）在二维条件下研究了MPL/GDL之间的跨尺度液水传输和氧气扩散浓度场，发现适当的压缩可以减少界面间距，有助于液水传输，但会增加气体扩散的阻力。Dai等人[23]随机重建了一个由规则球体堆叠而成的3D MPL模型，并通过LBM模拟了MPL内的液水传输，发现裂纹位置和倾斜角度对渗透性有显著影响。Lin等人[24]在GDL的一小部分应用了局部MPL（120 μm*120 μm），并通过LBM证明裂纹的存在可以将液水从毛细指状流动转变为粘性指状流动。Zhang等人[25]随机生成了具有纤维结构的MPL和裂纹。但MPL不包含孔隙，如体积流量（VOF）所示；裂纹宽度越大，液水通过MPL的难度越小，但GDL的饱和度较高，这使得反应气体的传输变得困难。

具体来说，目前两种主流的MPL构建策略在平衡水-空气传输机制方面存在缺陷。这些形态缺陷在图1(b)中展示的扫描电子显微镜（SEM）图像中可见。纤维贴合型MPL（FC-MPL）通过浆料浸渍或喷涂在少量GDL纤维层上，大大增加了原始纤维的直径并形成了覆盖纤维表面的多孔涂层，但由于其较大的孔径，容易导致阴极产生的水逆向扩散到GDL的大孔隙中，从而引发严重的水淹并阻碍反应气体传输[26]。相比之下，烧结裂纹型MPL（SC-MPL）是通过刮涂较厚的碳粉和PTFE混合物制成的，由于烧结和冷却过程中的应力收缩形成了随机裂纹[27]，迫使大部分液水只能通过随机裂纹到达GDL。由于MPL内部孔隙过于密集，液水主要通过随机裂纹传输，其内部通过缓慢扩散的润湿作用形成，微裂纹的随机分布及其数量较多也导致水分分布不均和显著的欧姆电阻，从而影响性能输出的稳定性[5][28]。

利用大孔MPL在高电流密度条件下的优越性能，本研究随机重建了一种具有高纵横比形态的MPL。与传统基于炭黑的结构相比，用CNT替代后形成了孔径显著更大的网络（30-70 μm）[29]，从而显著优化了反应气体和液水的传输能力。此外，本文开发的支架状结构增强了MPL–GDL界面处的接触面积，有效降低了内部电子传输阻力。这种设计实现了协同双重优化：相对于FC-MPL，更细的孔道调节了进入GDL的水流速度，从而避免了水淹；相反，与SC-MPL相比，更大的互联通道促进了由渗透性驱动的快速横向水分重新分布。形成的界面水膜显著降低了接触电阻，最终确保了电池性能和操作稳定性。从三维角度来看，本研究分析了复合结构内的单相氧气传输机制。通过采用相场方法模拟MPL–GDL界面上的两相流动动力学，阐明了MPL厚度对传输效率和流体相分布的影响。同时，系统研究了GDL压缩阻碍内部传输的机制，明确建立了压缩程度与质量传输效率之间的相关性。此外，通过比较分析不同的裂纹形态，优化了MPL的排水路径。

**数字重建和域生成**
为了准确捕捉GDL的空间结构以及在真实组装压力下的微观拓扑响应，本研究使用了高分辨率XCT技术（ZEISS Xradia Versa 610）。结合自定义设计的原位压缩平台（如图2(a)所示），我们对商用Toray-H-60碳纸进行了多形态3D表征。Toray系列碳纸由聚丙烯腈（PAN）基碳纤维制成，具有结构拓扑和孔隙网络特性。

**为了阐明GDL和MPL之间不同的孔隙尺度差异，通过PNM提取了TGP-H-60基底和三种MPL变体的孔喉特性，如图3(b)所示。值得注意的是，分析显示MPL结构具有高协调数，即连接到单个孔体的喉部数量。这种高度互联的笼状拓扑结构赋予了卓越的传输稳健性；在局部被液体阻塞的情况下……**

**结论**
本研究将微CT成像与数字重建技术相结合，生成了一种具有高纵横比MPL的复合结构。该框架随后用于模拟高度互联结构域内的微观尺度流体动力学。主要目的是阐明跨尺度3D MPL-GDL架构中控制氧气传输和液水动力学的机制。开发的模型全面研究了……

**作者贡献声明**
黄恒：撰写——审稿与编辑、研究
刘航：撰写——初稿、研究、概念化
吴伟涛：方法论、形式分析
周志富：方法论、数据管理
吕学成：验证、研究
高帅：撰写——审稿与编辑、研究
宋永辰：资源、项目管理
李玉柏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化
郑伟波：撰写——审稿与编辑、方法论
魏雷……

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52106226）和辽宁振兴人才计划（项目编号XLYC2403079）的支持。