《International Journal of Hydrogen Energy》：Two-phase lattice Boltzmann simulation of hybrid fiber-based and mesh-based microporous layer architectures for improved water management in proton exchange membrane fuel cells
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水管理是质子交换膜燃料电池（PEMFC）在气体扩散层（GDL）和微孔层（MPL）中存在的现有挑战，其可能限制整体性能。研究人员开发了一种基于格子Boltzmann方法耦合流体体积法（LBM-VOF）的三维两相流模型，并在并行格子Bolt
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水管理是质子交换膜燃料电池（PEMFC）在气体扩散层（GDL）和微孔层（MPL）中存在的现有挑战，其可能限制整体性能。研究人员开发了一种基于格子Boltzmann方法耦合流体体积法（LBM-VOF）的三维两相流模型，并在并行格子Boltzmann求解器（PALABOS）平台上实现。本工作的新颖之处在于设计由纤维基与网格基架构集成构成的混合微结构，并将其应用于MPL-GDL复合层中。对各种几何结构的评估表明，Hybrid-FB-50%-8μm-HX-70%——该结构结合了纤维基结构（50%孔隙率，8 μm纤维）与六边形网格基结构（70%孔隙率）——呈现出最优性能。与基准纤维基构型（50%孔隙率，8 μm纤维）相比，该混合架构实现了水饱和度约降低26.24%，排水时间减少30.21%，以及平均毛细压力降低12.22%。
### 论文解读
**一、研究背景与问题提出**
全球脱碳进程推动了对多种能源技术的探索，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高功率密度、快速启动和较低工作温度等优势，在交通与固定式发电领域占据重要战略地位。然而，PEMFC的商业化推广面临内部传输现象的复杂挑战，水管理问题尤为突出——膜水合状态与产物液态水的排出之间的平衡直接决定电池效率、寿命和峰值功率输出。气体扩散层（GDL）作为宏观流道与微观催化位点之间的多孔桥梁，需同时承担导电导热、反应气体均匀分布和阴极生成水排出等多重功能；而微孔层（MPL）涂覆于GDL面向催化层一侧，通过碳黑与疏水梯度有效引导液态水离开催化层，防止活性位点被水淹。传统随机碳纸GDL的孔隙结构难以精确调控，研究者因此开始探索工程化的新型MPL-GDL结构，主要分为纤维基与网格基两大类。纤维基架构利用随机或半取向碳纤维调控渗透率与迂曲度，网格基架构则借有序金属或合成网格提供均匀机械支撑与高可预测孔径分布。然而，单一架构各有局限：纯纤维结构因高迂曲度导致水分滞留与排水路径不连续，纯有序网格则可能缺乏充分的横向再分布和界面缓冲能力。基于此，研究人员提出将纤维基与网格基架构集成的混合策略，以期发挥二者的协同优势。
在数值方法层面，传统宏观计算流体动力学（CFD）模型难以捕捉液滴与GDL/MPL复杂固体边界相互作用的离散物理过程，而孔隙尺度模拟已成为研究多孔介质内气液相互作用的重要手段。格子Boltzmann方法（LBM）凭借复杂边界处理能力和多相流模拟的高并行效率成为优选工具，但经典Shan-Chen模型存在界面附近伪速度过高、难以达到大密度比等缺陷。因此，本研究采用耦合流体体积法（VOF）的LBM-VOF框架，通过显式考虑表面张力对密度和黏度的依赖来抑制伪速度，并利用多松弛时间（MRT）碰撞格式增强数值稳定性。
**二、研究目标与总体结论**
本研究旨在阐明微结构架构设计（特别是MPL的引入）如何超越简单几何参数而在更根本层面调控GDL内的水传输行为。研究系统重构了单一架构与混合架构的多组结构，评估孔隙分布、连通性和多层排布对液态水行为的影响。研究结果表明，孔隙网络的几何形态与连通性强烈影响液体传输行为：纯纤维基结构因迂曲路径导致高持水率和长排水时间，纯网格基结构则提供更连续的排水通道；混合架构通过结合纤维的毛细特性与网格的方向性流动路径进一步改善了传输性能。其中，将低孔隙率纤维层与六边形网格结合的Hybrid-FB-50%-8μm-HX-70%结构综合表现最优——与基准纤维构型（50%孔隙率，8 μm纤维）相比，水饱和度降低约26.24%，排水时间减少30.21%，平均毛细压力降低12.22%。
**三、关键技术方法**
研究人员基于并行格子Boltzmann求解器（PALABOS）平台，开发并实现了一种三维两相LBM-VOF模型。计算域尺寸为100 × 100 × 100 μm3，入口水速度恒定为0.1 m/s，出口采用出流边界条件，侧面施加周期性边界条件，初始状态孔隙空间完全充满空气。GDL几何结构采用PMG软件中的随机纤维生成算法构建。研究中采用了D3Q19晶格模型和MRT碰撞格式以提高数值稳定性与精度。界面追踪通过计算各计算单元内分散相的体积分数实现，界面曲率由体积分数场的梯度估计，压差由Young-Laplace方程描述。模型经过了与文献实验及数值基准的两项验证：其一为液滴在平面上的铺展演化与毛细压力对比，其二为结构化多孔介质内的液滴渗透行为对比，均显示出良好的一致性。所有结构均在完全相同的入口条件下进行模拟，以提供一致的相对排水性能比较。样本队列来源于该研究团队自行重构生成的单一架构结构（4种纤维基和2种网格基）及8种混合架构结构。
**四、主要研究结果**
**4.1 验证。**通过与文献实验观察及OpenFOAM有限体积法基准数据的对比，确认了LBM-VOF框架在结构化多孔介质中准确表征多相传输现象的能力。定量误差分析显示，毛细压力与解析Young-Laplace解的均方根误差（RMSE）为0.665 Pa，饱和度曲线与基准数据的RMSE为0.00201，误差均在可接受范围内。
**4.2 场景1：FB-70%-4 μm与网格基几何结构组合。**三维液滴演化显示，纤维基结构液滴横向铺展并形成宽扁簇状，因高迂曲度被困于多个区域；HX-70%六边形结构则呈明显方向性垂直柱状流动，表明六边形网络形成连续径向通道。定量数据表明，HX-70%获得最低残余饱和度和最快排水，混合结构性能介于二者之间，其中Hybrid-FB-70%-4μm-HX-70%因更高几何有序性优于MO混合结构。
**4.3 场景2：FB-70%-8 μm与网格基几何结构组合。**将纤维直径从4 μm增至8 μm导致纤维基结构最终饱和度从0.450升至0.528，因较大孔隙配合减弱毛细抽吸使水分停留更久。集成网格结构可将最终饱和度降至约0.32–0.34。HX-70%在该场景中仍然表现最佳，提供最高毛细压力、最快排水和最低残余饱和度。
**4.4 场景3：FB-50%-4 μm与网格基几何结构组合。**HX-70%展现出最有效传输模式——0.067 ms时水已被引导通过特定通道，0.200 ms时大部分水已穿过介质。FB-50%-4 μm结构表现出最高饱和度（0.391）和最长排水时间。两个混合结构的饱和度降至0.245–0.258，排水时间接近0.200 ms，但产生的高压（12.6–12.8 kPa）并非性能优越指标，相当一部分压力增幅源于纤维域与有序多孔域界面的不协调抽吸。
**4.5 场景4：FB-50%-8 μm与网格基几何结构组合。**通过定性孔径分布（PSD）比较发现，纤维基结构呈宽而随机的孔径分布，网格基结构更为有序，混合结构呈双峰分布特征。Hybrid-FB-50%-8 μm-HX-70%凭借有序六边形通道与纤维基底的组合，实现了最低饱和度（0.208）和最快排水（0.164 ms）。对该结构估算的表观/有效渗透率约为K=1.41×10?12 m2。进一步分析表明，最优水管理行为并非通过最大化毛细压力获得——过高毛细压力可能对应狭窄孔喉和强局部抽吸，反而促进水淹。混合纤维基/网格基结构的协同机制为：六边形组件形成主要排水路径，纤维基组件则抑制小扰动气泡并消除死端孔隙，二者共同确保排水通道通畅无阻。
**五、讨论总结与结论翻译**
讨论部分强调，毛细压力是GDL水管理的关键参数，但GDL微观结构和润湿性直接调控毛细压力，因此微结构应设计为将液态水从催化层侧导向气体流道侧。对于本研究的接触角、温度和微结构尺度条件，平均毛细压力约7.3–8.3 kPa范围可在排水与水淹预防间取得较好平衡，但该值应理解为面向特定设计的参考范围而非通用PEMFC限值。
研究结论为：孔隙网络几何形态和连通性强烈影响液体传输行为；纯纤维基结构因迂曲路径表现出较高持水率和较长排水时间，而网格基结构提供更连续的排水通道；混合架构通过结合纤维的毛细特性和网格的方向性流动路径进一步改善传输，其中六边形基混合结构表现一致优于MultiOctagon构型；Hybrid-FB-50%-8 μm-HX-70%结构综合性能最优，实现最低残余饱和度和最短排水时间。研究结果凸显纤维与网格架构间结构协同的重要性，所提出的混合设计——尤其是低孔隙率纤维层与六边形网格的组合——为下一代PEMFC气体扩散层设计提供了有价值的指导方向。本研究的局限在于未评估干湿条件下的氧气传输阻力，这需要将气体扩散与电化学反应及催化层传输相耦合，将在未来工作中开展。
