压缩气体扩散层微观结构中氧气传输过程的研究

作者：杜青; 李雅楠; 牛志强; 周侠; 包志铭; 焦魁^*

来源：天津大学学报 (自然科学与工程技术版), 2020, 53(11): 1175-1182.

• 质子交换膜燃料电池
• 气体扩散层重构
• 装配压力
• 氧气传输
• 有限元

气体扩散层(gasdiffusionlayer,GDL)是实现质子交换膜燃料电池电极内有效气体传输的关键部件.在实际电池中,GDL所承受的装配压力会引起其内部结构较大的变形,尤其是脊下受压部位变形显著.然而,目前国内外相关研究主要集中在未受压GDL上,针对GDL局部受压后的变形对GDL内氧气传输过程的影响方面的研究相对较少,受压GDL内的传质机理尚不清楚.为阐明装配压力所引起的GDL微观结构变形对内部氧气传输过程的影响规律,本文基于有限单元法(finiteelementmethod,FEM)和GDL微观结构随机重构算法建立了压缩GDL孔尺度氧气扩散模型,针对4种装配压力(1.4 MPa,2.8 MPa,4.2 MPa,5.6 MPa)下GDL孔隙内的氧气传输过程进行了详细研究对比.同时,本文研究了孔隙率、纤维直径和GDL厚度等结构参数对压缩GDL内氧气传输特性的影响.结果表明:随着装配压力的增大,GDL内的最小氧气浓度值在逐渐减小,同时流道和脊下氧气浓度分布均匀性变差;随着纤维直径减小、孔隙率增大,在GDL平面方向,压缩GDL中的氧气扩散能力增加;在GDL厚度方向,流道和脊下的氧气浓度同时增加,且脊下氧气浓度上升较多,流道和脊之间氧气浓度梯度增加.GDL孔隙率对压缩GDL中氧气扩散影响较大,且随着GDL孔隙率的增加,GDL内的最小氧气浓度值也增加.当氧气在GDL平面内传输时,随着GDL厚度的减小,横向氧气传质阻力增大,GDL内最小氧气浓度值减小.同时,本文也发现纤维直径对压缩GDL中氧气扩散的影响较小.

• 单位
  内燃机燃烧学国家重点实验室; 天津大学