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燃料电池与储能

摘要

构建真实的燃料电池气体扩散层（GDL）孔隙结构，对了解其中的两相传输与电荷传输机理具有重要意义。文章基于CT重构获得的GDL三维形貌特征（图1），开发了最大球法（MS）与根沃罗诺伊空间分割（RVT）相结合的GDL孔隙网络构建方法（MS+RVT）。应用规则孔隙网络与MS+RVT方法生成的孔隙网络（图2）对高温燃料电池内GDL磷酸侵入过程、阴极氧气扩散过程以及电荷运输过程进行了孔隙网络模拟研究，并通过对比前人的实验[1-2]和模拟[[3-7]结果验证了MS+RVT方法的有效性。发现规则网络会导致GDL孔隙网络内液相饱和度的高估以及氧气有效扩散系数与电压损失的低估。依据MS+RVT方法构建的孔隙网络模型研究了GDL的孔隙网络骨架、纤维半径、亲水率与GDL/催化层界面液相入口覆盖率对物质运输的影响（工作流程如图3所示）。结果表明，随着液相入口覆盖率增加，网络内的液相饱和度增加，有效气体扩散系数降低，电压损失增大。当液相入口覆盖率与GDL孔隙网络骨架相同时，随着纤维直径的增加，GDL内液相饱和度基本不变，有效气体扩散系数降低，而当纤维半径为5微米时GDL内电压损失存在一个最小值。当孔隙率为0.76，液相入口覆盖率不变时，随着纤维直径的增加，网络内液相饱和度略有降低（图4（a）），有效气体扩散系数略有增加（图4（b）），当纤维半径为3微米时GDL内电压损失存在最小值，当纤维半径为4微米时GDL内电压损失存在最大值（图5）。以液体到达GDL与气体通道边界为突破临界点，发现当孔隙网络结构一致时，随着孔隙亲水率的增加，采用分布式等压边界条件获得的网络内所有液体团簇均到达突破临界点时的液相饱和度基本不变，有效气体扩散系数先增加后基本不变（图6）。这说明GDL的亲水率大于0.4时，对突破前液体在网络中的运输影响较小。由于网络内更低的亲水率增大了液相突破GDL的可能性，得出GDL亲水率设计最优值为0.4。

关键词

气体扩散层;孔隙网络模拟;多孔介质传质;根沃罗诺伊空间分割

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