《ACS Omega》：Modeling Impact of Crack Density on the Performance of the Microporous Layer in PEMFCs
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微孔层（MPL）的裂纹密度（CD）对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的水管理和电化学性能具有积极影响。由于目前仍缺乏在不同相对湿度（RH）条件下设计最优CD以提升MPL性能的策略，研究人员提出了一种数值模型，该模型引入了毛细压力削弱系数，并定量考虑了裂纹对水-
微孔层（MPL）的裂纹密度（CD）对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的水管理和电化学性能具有积极影响。由于目前仍缺乏在不同相对湿度（RH）条件下设计最优CD以提升MPL性能的策略，研究人员提出了一种数值模型，该模型引入了毛细压力削弱系数，并定量考虑了裂纹对水-气传输、毛细压降和水淹的影响。此外，研究人员设计了实验，采用一种增稠剂（甲基纤维素）来调节浆料黏度，以制备具有不同裂纹密度的MPL，并系统表征了与裂纹相关的主要参数，如裂纹密度、孔隙率、渗透率和水的接触角，作为模型的输入参数。结果表明，在100% RH和50% RH条件下，最大功率密度随CD的增加先增大后减小，当CD为5.24%时达到最大值，这是由于低CD时CL中水淹导致气体传质受损，而高CD时GDL中水淹导致气体传质受损。然而，50% RH条件下较低的湿度和较快的水蒸发速率导致性能差异较小。在25% RH条件下，膜水合成为控制电池性能的主要因素。甲基纤维素含量的增加部分降低了MPL的疏水性，从而适度增强了膜水合作用并改善了燃料电池性能。虽然CD是本文讨论的主要参数，但甲基纤维素也引起了孔结构、渗透率和润湿性的变化。因此，不同RH条件下MPL性能的改善归因于CD与其他物理性质的耦合效应。
论文解读
一、研究背景与意义
氢能作为一种环境友好的能源载体受到全球广泛关注。在各类氢能转换技术中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够直接将氢转化为电能，具有功率密度高、零排放、低温运行（80°C）、热损耗低和能量转换率高等优势。然而，体积功率密度不足严重制约了PEMFC的市场化应用。为满足9 kW/L的商业化目标，必须进一步提升PEMFC各组件的性能以增加最大功率密度，而优化其水-气传输特性被认为是极具前景的途径。
单电池由质子交换膜（PEM）、两层催化层（CL）、两层气体扩散层（GDL）和带流道的双极板（BP）组成。微孔层（MPL）通常涂覆在GDL上，因其位于GDL与CL之间的界面位置，在气体传输和水管理中发挥着直接且不可或缺的作用。特别是MPL裂纹主导着气体和水的传输能力，适当的裂纹密度（CD）能在一定程度上提升PEMFC的极化性能。
目前已有大量研究关注MPL裂纹的形貌、连通性和制备方法。引入交叉裂纹、细长裂纹和互联裂纹对水和空气管理具有显著效果。Park等人发现连通裂纹能有效分离水和气体传输路径，明显削弱CL-MPL界面的水突破压力和淹水现象，与无裂纹MPL相比峰值功率密度提升了20%。采用造孔剂可赋予MPL不同图案的裂纹，Chen等人通过控制造孔剂含量制备了花形图案的双层MPL，性能较传统MPL提升了12.22%。激光蚀刻穿孔和表面沟槽也能有效增强排水能力，但激光加工不可避免地损伤GDL结构刚性并产生较大热影响区。
在数值模拟方面，二维瞬态模拟模型揭示了裂纹降低多孔组件中液态水饱和度、液态水优先在裂纹中积聚的规律，同时裂纹有助于提升氧气传输能力。三维格子玻尔兹曼方法（LBM）模型进一步阐明了裂纹在降低毛细压力和增强气液传输方面的作用。然而，模拟域通常过小，难以解释大面积活性区域的面内水和气体传输。总体而言，目前仍缺乏关于不同湿度条件下最优MPL裂纹密度对燃料电池性能影响的详细研究。
二、研究内容与主要结论
为填补上述研究空白，研究人员建立了考虑裂纹对水-气传输影响的数值模型，通过引入毛细压力削弱系数对裂纹引起的毛细压降和水淹进行建模。随后，使用XC-72R炭黑制备MPL浆料，通过调节甲基纤维素（MC）含量控制裂纹密度，系统表征了裂纹密度、孔隙率、渗透率和MPL润湿性等关键模型校准参数，以及相应单电池的电化学性能。最后，将这些参数作为输入变量，在不同湿度条件下进行模型验证和模拟分析。
研究结果表明：在100% RH和50% RH条件下，最大功率密度随CD增加先增大后减小，CD为5.24%时达到最大值，原因是低CD时催化层中水淹损害气体传质，高CD时气体扩散层中水淹损害气体传质。50% RH下较低湿度和较快的水蒸发速率导致性能差异较小。在25% RH条件下，膜水合成为控制电池性能的主要因素，MC含量增加部分降低MPL疏水性，适度增强膜水合作用并改善燃料电池性能。MPL性能的改善归因于CD与其他物理性质的耦合效应。
三、关键技术方法
研究人员采用了数值模拟与实验表征相结合的研究方法。数值模型基于ANSYS Fluent（2024 R2版本）开发，采用全六面体结构化网格，计算域包含PEMFC单电池的完整几何结构。模型涵盖质量守恒、动量守恒、能量守恒、各组分气体传输、溶解相液态水扩散及多孔区域液态水传输等控制方程。实验方面，采用甲基纤维素作为增稠剂调节浆料黏度以制备不同裂纹密度的MPL，并系统表征了裂纹密度、孔隙率、渗透率和水的接触角等参数作为模型输入。
四、研究结果
裂纹密度与MPL物性参数的关系： 通过调节MC含量，研究人员制备了CD分别为0%、2.36%、5.24%和9.56%的四种MPL。随着CD增加，MPL孔隙率从0.4137增至0.4965，渗透率从4.62×10?1? m2增至5.29×10?13 m2，水的接触角从149.46°降至140.75°，表明MC的加入同时改变了MPL的孔结构、渗透性和润湿性。
不同RH条件下的极化性能： 在100% RH和50% RH条件下，最大功率密度随CD增加先增大后减小，CD为5.24%时达到最大值。低CD时催化层水淹损害气体传质，高CD时气体扩散层水淹损害气体传质。50% RH下性能差异较小，归因于较低湿度和较快的水蒸发速率。25% RH条件下，膜水合成为主导因素。
水淹与气体传质分析： 通过模拟分析液态水饱和度分布和氧气浓度分布，研究人员揭示了不同CD条件下水淹发生位置的变化规律，解释了CD对气体传质影响的机理。
五、讨论与结论
研究讨论部分指出，虽然CD是论文讨论的主要参数，但MC的加入同时引起了孔结构、渗透率和润湿性的变化。因此，不同RH条件下MPL性能的改善归因于CD与其他物理性质的耦合效应。这一认识对于MPL的优化设计具有重要意义，表明在实际应用中需要综合考虑裂纹密度与其他物性参数的协同作用。
研究结论为：在100% RH和50% RH条件下，存在最优裂纹密度（5.24%）使燃料电池性能达到最佳；在低湿度（25% RH）条件下，膜水合成为主导因素，适当降低MPL疏水性有助于改善性能。该研究为不同湿度条件下MPL裂纹密度的优化设计提供了理论指导和实验依据，对提升PEMFC的水管理和电化学性能具有重要的工程应用价值。
