通过气体扩散介质疏水梯度降低 PEMFC 淹没的风险

燃料电池汽车(FCV)通常由聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)提供动力，该电池将氢和氧的化学能转化为电能并在阴极产生水。

在质子交换膜燃料电池中，水和反应气体都通过气体扩散介质(GDM)传输，气体扩散介质是一种由微孔层(MPL)和气体扩散层(GDL)组成的多孔介质。当GDM中积水时，PEMFC中的传质将受阻，导致水淹。这反过来又导致质子交换膜燃料电池的输出性能和使用寿命下降。

在《基础研究》发表的 一项研究中，一组来自中国的研究人员概述了一种 GDM 设计——GDM 疏水性梯度。具体来说，疏水性梯度通过加速 GDM 中的水传输和改善反应气体传输来降低水淹的风险。

“材料的润湿性用接触角来表示，接触角是液体界面与固体表面相遇的角度，”该研究的主要作者、机械与工程学院新能源动力系统设计副教授杨钦文解释道。湖南大学车辆工程学院.

“高接触角表明疏水性(拒水)，而低接触角表明亲水性(吸水)。不同的接触角形成疏水性梯度并改变水的行为，从而提高GDM中的传质能力。”

值得注意的是，聚四氟乙烯(PTFE)被广泛用于处理GDM以形成不同的疏水性。然而，PTFE 处理会降低 GDM 孔隙率并降低 PEMFC 的性能。

为此，在模拟和优化阶段，团队结合实验数据和经验方程，研究PTFE含量、疏水性和孔隙率之间的耦合关系。研究人员随后研究了疏水性梯度对传质过程的影响。

“我们发现MPL的疏水性高于GDL，这加速了GDM中水的转移，减少了MPL和GDL界面上积聚的水，”杨勤文分享道。“这增强了 GDM 的氧气运输能力。”

GDM疏水梯度设计为水管理提供了新的策略。

“根据FCV的运行条件设计不同的GDM疏水梯度可以进一步提高PEMFC的输出性能和使用寿命。”杨勤文补充道。“这也可以促进燃料电池汽车的商业化。”

展望未来，该团队打算开展相关研究，以改善质子交换膜燃料电池系统的水管理。

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