《Advanced Science》：Static Drainage H2/O2 PEM Fuel Cells Enabled by Water Transport Plates: Pore-Scale Design and Transport Mechanisms
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随着质子交换膜燃料电池（PEMFC）在水下与空间应用中的适用性获得更广泛认可，死端（dead-ended）运行受到越来越多关注。然而，在无高通量吹扫流的条件下，水管理挑战被放大，积水和淹溺（flooding）频繁发生，阻碍长期稳定运行。研究人员专门设计了水传输
随着质子交换膜燃料电池（PEMFC）在水下与空间应用中的适用性获得更广泛认可，死端（dead-ended）运行受到越来越多关注。然而，在无高通量吹扫流的条件下，水管理挑战被放大，积水和淹溺（flooding）频繁发生，阻碍长期稳定运行。研究人员专门设计了水传输板（Water Transport Plate, WTP），以同时满足死端阴极运行下被动除水与气密性的双重需求；建立了孔网络模型（Pore-Network Model, PNM）来研究多孔结构内的毛细行为机制，预测WTP的水通量（water flux）与泡压（bubble pressure），并优化平均孔径等关键参数。网络拓扑由X-CT图像重建，并引入孔喉形状修正与喉道弯曲度。以通量≥27.9 μL·cm?2·min?1和泡压≥40 kPa为评价指标，选定平均孔径1.2～4.2 μm。优化后的WTP制成并装入电堆，在1 A·cm?2死端阴极下稳定运行超30 h，性能衰减仅1.92%。上述发现为静态排水模式死端PEMFC的设计与性能提升提供了见解。
研究背景方面，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效率、低工作温度、静音和本地零排放，被拓展至交通、固定电站、潜艇与航天器等领域。在水下和空间环境中无空气供应且体积受限，系统要求更高反应物利用率、更小体积与更简单辅件，因此常采用死端阳极与阴极（DEAC）模式以减少氧气排放并简化系统。但阴极气体出口封闭使产水难以及时排出，淹溺风险显著上升，水管理成为核心难题。现有吹扫、回流、扰动等主动排水方式依赖循环泵、缓冲罐、液气分离器等部件，带来寄生功耗与系统复杂化，不利于水下和空间场景。静态排水燃料电池利用亲水多孔水传输板（WTP）借助毛细力将阴极侧液态水被动排入冷却液，无需高速吹扫气，可兼顾除水与密封，但WTP孔隙非均匀，孔径对水通量与泡压存在相反影响，材料选型阶段难以预测是否满足运行要求，因此亟需建立孔尺度预测方法与参数优化框架。
该研究由 Mengdi Guo、Diankai Qiu、Dong Zhu、Linfa Peng 等研究人员开展，论文发表于《Advanced Science》。研究人员以石墨与钛等多孔材料为对象，通过X-CT、压汞（MIP）、SEM、接触角测试表征孔尺度参数；构建考虑孔形状、喉道弯曲度和配位数分布的孔网络模型（PNM，即把多孔介质抽象为孔隙节点与喉道连接以分析两相流的方法）；以通量与泡压为指标优化WTP平均孔径，并将优化WTP装入双单池氢氧电堆进行死端阴极验证。结论显示，平均孔径1.2～4.2 μm可同时满足水通量≥27.9 μL·cm?2·min?1与泡压≥40 kPa；优化WTP在1 A·cm?2下运行30 h以上性能衰减1.92%，证明静态排水WTP可兼顾被动除水与阻气密封，对水下/空间PEMFC具重要工程意义。
关键技术方法上，研究人员采用X-CT重建三维孔结构，用压汞法获取孔径分布与孔隙率，用SEM观察微观形貌，用坐滴法测接触角；以SNOW方法从CT分割孔隙空间并参数化，构建条件随机化孔网络使配位数分布接近CT真实结构；在PNM中引入锥柱孔形修正、喉道弯曲度修正与接触角截断正态分布；通过定制夹具测水通量与泡压，并以石墨、多孔钛样本校验模型；样本为多孔石墨与多孔钛板材，后者经50 nm金镀层处理。
研究结果部分，实验表征显示多孔石墨孔径集中1～3 μm、孔隙率13.8%，多孔钛孔径更分散、孔隙率21.9%，钛更亲水。水通量随压差单调上升，钛高于石墨；泡压测试显示石墨密封性优于钛。阴极板与电堆设计中，WTP与封孔板组合成薄型双极板，反应区为多孔板，边缘热压缩孔密封，双单池电堆阴极置于MEA下方、流场垂直重力，平行肋槽结构利于液滴靠重力进入通道再被毛细力吸入WTP。电池测试表明阴极其死端运行、仅在电压跌超20%时吹扫，阳极每180 s吹扫0.5 s，65°C、无外增湿下可长时运行。
模型与验证部分，研究人员以牛顿毛细流与Lucas–Washburn模型描述饱和后毛细—黏性主导流动，用Young–Laplace方程求泡压；PNM中球—柱简化被锥柱、对锥等形状修正替代，喉道长度用Avizo提取弯曲度修正。四种建网策略中，条件随机网络配位数分布与CT重建最接近（重叠系数0.8787，卡方无显著差异），水通量预测也最接近。模型验证中石墨水通量预测149.3 μL·cm?2·min?1、误差4.89%，泡压93.4 kPa、误差6.11%；钛水通量误差2.4%、泡压误差5.6%，说明PNM可准确预测WTP输运与密封性能。
结果与讨论部分，温度影响研究表明25°C升至65°C时钛水通量由2176.4增至4313.5 μL·cm?2·min?1，泡压由50.3降至45.8 kPa，因黏度与表面张力下降；模型在高温下仍与实验吻合。孔表面亲水性影响表明平均接触角越小泡压越高，亲水孔泡压同时受孔径与接触角控制。最优孔径选择中，以阴极—冷却液压差20 kPa加安全系数2得泡压阈值40 kPa，以0.5 A·cm?2产水率2.79 μL·cm?2·min?1乘安全系数10得通量阈值27.9 μL·cm?2·min?1，从而确定平均孔径1.2～4.2 μm。电堆性能中，优化WTP（平均孔径3.6 μm）在0.5 A·cm?2运行12 h电压仅降0.64%，固体板（SP）12 min内跌至0.4 V以下；1 A·cm?2下30 h衰减1.92%；WTP01（0.8 μm）因通量过低7 min内淹溺，WTP02（5.1 μm）泡压14.6 kPa低于压差而漏气，故不参与电化学测试。运行条件敏感性显示65°C最佳，超过后水蒸气饱和稀释氧分压并致膜失水；进气压力升高可提性能但100～120 kPa增益收窄，且需同步抬高冷却液压。
讨论与结论翻译如下：本文设计并制备了能满足死端阴极运行被动除水与气密双重需求的水传输板（WTP）；提出孔网络模型解析复杂多孔介质中毛细驱动输运，以水通量与泡压为指标获得WTP最优平均孔径，静态排水PEMFC电堆表现出优异阴极水管理性能。主要结论为：一、聚焦孔几何与孔连通性建立PNM，平均孔径影响水通量与泡压，以通量≥27.9 μL·cm?2·min?1和泡压≥40 kPa联合指标确定WTP适用平均孔径1.2～4.2 μm；二、增强孔亲水性可有效提高泡压，亲水孔泡压受平均孔径与接触角共同影响，升温因水黏度与表面张力下降而提升通量、降低泡压；三、最优孔径WTP装入电堆后，周期阳极吹扫下死端阴极1 A·cm?2稳定运行超30 h、衰减1.92%，证明WTP兼具高效排水与充分密封。总体而言，静态排水PEMFC稳定运行高度依赖WTP设计，孔架构内毛细驱动输运认知可为WTP优化提供指导；本研究尚未完全复现空间或水下环境，孔隙参数异质性与制备扰动下的模型细化仍需后续工作。
