GDL厚度减小和孔隙率梯度对具有金属泡沫流场的PEMFC中液态水和活性氧传输的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effects of GDL thickness reduction and porosity gradients on liquid water and reactive oxygen transport in PEMFCs with metal foam flow fields

　　

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  孔隙尺度格点玻尔兹曼方法揭示了基于金属泡沫流场的质子交换膜燃料电池中水和氧气的传输机制。
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  研究了气体扩散层减薄和面内孔隙率梯度设计的影响。
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  更薄的气体扩散层可缓解水堵塞并增强氧气传输。
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  面内孔隙率梯度促进排水，但收益呈递减趋势。
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  适中的面内孔隙率梯度在部分饱和条件下优化氧气传输。

引言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率和环境优势而被视为未来交通的有前景的候选技术 [1], [2]。然而，其当前功率密度仍不足以实现大规模商业化应用，这主要归因于高电流密度运行条件下的传输损失 [3], [4]。随着燃料电池操作向更高功率密度方向发展，反应物消耗速率和水生成速率均显著上升。一旦反应物供给接近传质极限，催化剂层（CL）附近的氧气耗竭将导致严重的浓度损失，而不充分的水排出则会导致液态水积聚，堵塞气体通道并进一步阻碍反应物传输。因此，阐明液态水和氧气的传输机制对于克服PEMFC中的传质限制至关重要。

流场通过调控反应物分布和液态水排出，主导PEMFC的整体传质行为 [5]。近年来，金属泡沫流场（MFFF）作为一种三维多孔流场架构，在增强先进PEMFC传质方面脱颖而出。与沟槽-肋流场（CRFF）相比，MFFF具有高度多孔且相互连通的孔网络结构，能够增强对流传输、促进反应物均匀分布并有利于反应物输送 [6], [7], [8], [9]。Suo等 [10] 表明，MFFF通过提供更强的对流和更大的有效传输面积实现了增强的氧气传输。Zhang等 [11] 进一步证明，MFFF由于其改善的反应物分布而在高电流密度条件下表现出更优的性能。在水管理方面，Bao等 [12] 报道，尽管MFFF中的液态水排出较慢，但其相互连通的孔网络能维持连续的气体通道并减少GDL表面的水覆盖率。Zhang等 [13] 进一步揭示，MFFF的骨架促进液滴破碎和排出，从而缓解水积聚并保持反应物传输通道。MFFF的性能优势也已通过实验得到证实。Heidary等 [14] 报道，与蛇形流场相比，MFFF使功率密度提高了约10%。同样，Shin等 [15] 进一步证明，适当设计的MFFF使最大功率密度提高了50.6%。

气体扩散层（GDL）调控着流场与催化剂层之间的反应物供给和液态水传输 [16]。在其结构参数中，GDL厚度直接决定了反应物和液态水的传输距离。因此，减薄GDL厚度作为缓解传质限制的方法受到了广泛关注 [17], [18], [19]。Gao等 [20] 通过数值模拟证明，配备泡沫-肋流场的PEMFC中，较薄的GDL有利于氧气传输并提升了电堆性能。Sakaida等 [21] 报道，将GDL厚度降至54 μm可使氧气传输阻力降低超过50%，极限电流密度增加约30%。同样，Wei等 [22] 开发了超薄GDL（<40 μm），实现了峰值功率密度58.4%的提升。除传统CRFF构型外，超薄GDL也被应用于基于MFFF的燃料电池中，催生了集成双极板-膜电极组件（BP-MEA）或无GDL设计 [23]。Zhang等 [24] 对无GDL构型进行了数值研究，证明此类设计通过增强氧气传输显著降低了浓度损失。然而，在基于MFFF的PEMFC中减薄GDL也会引发对机械支撑和界面完整性的担忧，因为在压缩条件下，金属泡沫的骨架可能穿透GDL。Fly等 [25] 研究了MFFF的机械行为，发现在25%压缩条件下，泡沫骨架会穿透厚度为124.4 μm的GDL超过50%。随着GDL厚度减小，这类机械约束可能变得愈发重要，因此在解释超薄GDL的传输优势时应予以考虑。尽管如此，MFFF基PEMFC中已实验验证了超薄GDL结构。Tongsh等 [26] 通过实验用MFFF和超薄碳纳米纤维薄膜GDL（9.1 μm）取代了传统CRFF和GDL，使浓度阻抗降低了88.6%，峰值功率密度提高了50%。随后，Tongsh等 [27] 进一步优化了碳纳米纤维薄膜GDL的厚度，发现25 μm的厚度可提供最佳性能。

除减薄之外，基于梯度的结构设计也被广泛用于调控GDL内部的传输特性 [28]。调节孔隙率 [29]、孔径 [30] 或润湿性 [31] 的空间分布，可以实现对毛细驱动传输的操控并改善液态水排出。对于面内（IP）梯度结构，Lai等 [32] 证明非均匀孔结构可加速排水并降低水饱和度，从而缓解水引起的传输限制。Liu等 [33] 进一步研究了IP孔隙率梯度，证明线性递增的孔隙率梯度使电堆输出性能提升了5.78%。对于穿面（TP）梯度结构，Guo等 [34] 通过数值模拟揭示，优化的TP孔隙率和润湿性分布可增强氧气传输，使电流密度增加高达201%。Ko等 [35] 研究了孔隙率梯度GDL，发现适中的梯度是电化学性能的最优构型。近年来，IP-TP耦合梯度设计也日益受到关注 [36]。Zhu等 [37] 在IP和TP两个方向上优化了孔隙率分布，实现了更均匀的电流密度、温度和物种场分布；而Wang等 [38] 则证明协同的IP-TP孔隙率梯度使最大功率密度提高了6.73%，氧气分布变异系数降低了40.69%。

尽管GDL结构优化已被广泛研究以改善传输特性，但GDL架构对MFFF基PEMFC中液态水及活性氧传输的影响仍不清楚。MFFF的引入从根本上改变了GDL内部的传输特性，将主导的GDL传输模式从CRFF中的IP-TP耦合传输转变为以TP传输为主。补充材料第一部分中对CRFF和MFFF的直接比较证实了液态水和氧气的这一传输模式转变。因此，为CRFF开发的GDL设计可能不能直接适用于MFFF所诱导的TP主导传输区域。本文采用孔隙尺度格点玻尔兹曼模拟来阐明MFFF基PEMFC中液态水和活性氧的传输机制，重点研究GDL减薄和TP孔隙率梯度设计的影响。本文结构如下：第2节介绍数值方法，第3节讨论模拟结果，第4节给出主要结论。

各节摘要

数值方法

格点玻尔兹曼（LB）方法是一种介观数值框架，通过粒子分布函数的流和碰撞过程来描述流体演化。与常规宏观方法 [39], [40], [41] 相比，LB方法在并行计算、复杂几何处理以及隐式界面捕捉方面具有优势，使其非常适合研究PEMFC多孔电极和流场结构中的多相传输过程 [42]，

结果与讨论

MFFF的引入从根本上改变了PEMFC中的传输特性，将主导的GDL传输模式从CRFF中的IP-TP耦合传输转变为以TP传输为主。因此，为CRFF开发的GDL设计无法简单移植到配备MFFF的PEMFC中。本节通过液态水和活性氧传输模拟来评估GDL减薄和TP孔隙率梯度设计如何在

结论

MFFF的引入将GDL内的主导传输机制从传统CRFF中的IP-TP耦合传输转变为以TP传输为主。因此，针对CRFF优化的GDL结构可能不能直接适用于基于MFFF的PEMFC。本文采用基于多组分赝势格点玻尔兹曼框架的孔隙尺度模拟，阐明了基于MFFF的PEMFC阴极中液态水和活性氧的传输机制，

CRediT作者贡献声明

苏梦山：撰写—初稿，方法论，调查，形式化分析，数据管理。包涛：方法论。云翔：方法论。曾珍：撰写—审阅与编辑，指导，方法论，经费获取，形式化分析，概念化。张文哲：方法论。关诚硕：方法论。王天友：方法论，概念化。

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财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到河南省自然科学基金（编号：262300420397）、国家自然科学基金（编号：52406270）和国家自然科学基金（编号：U25A20328）的资助。

苏梦山|包涛|云翔|曾珍|张文哲|关诚硕|王天友