壓縮氣體擴散層微觀結(jié)構(gòu)中氧氣傳輸過程的研究

杜?青，李雅楠，牛志強，周?俠，包志銘，焦?魁

壓縮氣體擴散層微觀結(jié)構(gòu)中氧氣傳輸過程的研究

杜?青，李雅楠，牛志強，周?俠，包志銘，焦?魁

(天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072)

氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)是實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池電極內(nèi)有效氣體傳輸?shù)年P(guān)鍵部件．在實際電池中，GDL所承受的裝配壓力會引起其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較大的變形，尤其是脊下受壓部位變形顯著．然而，目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在未受壓GDL上，針對GDL局部受壓后的變形對GDL內(nèi)氧氣傳輸過程的影響方面的研究相對較少，受壓GDL內(nèi)的傳質(zhì)機理尚不清楚．為闡明裝配壓力所引起的GDL微觀結(jié)構(gòu)變形對內(nèi)部氧氣傳輸過程的影響規(guī)律，本文基于有限單元法(finite element method，F(xiàn)EM)和GDL微觀結(jié)構(gòu)隨機重構(gòu)算法建立了壓縮GDL孔尺度氧氣擴散模型，針對4種裝配壓力(1.4MPa，2.8MPa，4.2MPa，5.6MPa)下GDL孔隙內(nèi)的氧氣傳輸過程進行了詳細研究對比．同時，本文研究了孔隙率、纖維直徑和GDL厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮GDL內(nèi)氧氣傳輸特性的影響．結(jié)果表明：隨著裝配壓力的增大，GDL內(nèi)的最小氧氣濃度值在逐漸減小，同時流道和脊下氧氣濃度分布均勻性變差；隨著纖維直徑減小、孔隙率增大，在GDL平面方向，壓縮GDL中的氧氣擴散能力增加；在GDL厚度方向，流道和脊下的氧氣濃度同時增加，且脊下氧氣濃度上升較多，流道和脊之間氧氣濃度梯度增加．GDL孔隙率對壓縮GDL中氧氣擴散影響較大，且隨著GDL孔隙率的增加，GDL內(nèi)的最小氧氣濃度值也增加．當(dāng)氧氣在GDL平面內(nèi)傳輸時，隨著GDL厚度的減小，橫向氧氣傳質(zhì)阻力增大，GDL內(nèi)最小氧氣濃度值減小．同時，本文也發(fā)現(xiàn)纖維直徑對壓縮GDL中氧氣擴散的影響較?。?/p>

質(zhì)子交換膜燃料電池；氣體擴散層重構(gòu)；裝配壓力；氧氣傳輸；有限元

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有零排放、低噪聲和高功率密度等突出優(yōu)點，目前已成為新能源汽車富有前景的動力裝置[1-2]．PEMFC主要由雙極板(bipolar plate，BP)、氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)、催化層(catalyst layer，CL)和質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)4部分組成，其中GDL在膜電極中起著傳熱傳質(zhì)的作用，同時也承受來自雙極板施加的裝配壓力．

隨著裝配壓力的增加，GDL的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，孔隙率和孔徑分布產(chǎn)生顯著的改變[3]．裝配壓力的增加雖然有助于電池密封和降低接觸電阻，但也會增加GDL中的傳質(zhì)阻力[4]，進而影響電池的整體性能；同時，GDL的受壓變形并不均勻．隨著裝配應(yīng)力的增加，脊下GDL被均勻壓縮，但在流道下的GDL的壓縮程度相對較小而且變形極不均勻[5].這種不均勻性不但造成了GDL與脊的接觸邊緣處應(yīng)力集中，而且也顯著影響了GDL中的傳質(zhì)過程[6].然而，目前對處于壓縮狀態(tài)下GDL氣體傳輸?shù)难芯窟€主要集中在宏觀層面，很少有針對多種結(jié)構(gòu)參數(shù)、復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和多工況壓縮條件對GDL中的氣體傳輸過程及特性的影響的研究報道．

GDL是實現(xiàn)BP和CL之間有效組分傳輸?shù)年P(guān)鍵部件[7-9]，它的傳輸特性主要取決于其微觀結(jié)構(gòu)、物理特性和機械特性，而這些因素又受到結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要影響[10]．在GDL的傳輸特性中，有效氧氣擴散系數(shù)是表征GDL中氧氣傳輸?shù)淖钪匾獏?shù)[11]．研究表明，有效氧氣擴散系數(shù)對GDL的幾何形狀高度敏感，沿GDL平面方向的有效氧氣擴散系數(shù)的值比GDL厚度方向的值大得多，但現(xiàn)有的研究并未能全面考慮真實壓縮條件下GDL微觀結(jié)構(gòu)的各向異性對GDL氧氣傳輸特性的影響[12]．實驗研究方法由于成本較高，且難以實現(xiàn)對GDL內(nèi)部微觀傳輸過程的精細觀測而受到較大限制．?dāng)?shù)值仿真模型研究GDL氣體傳輸特性具有成本低、研究范圍靈活的特點，成為PEMFC中GDL研究的主要方法和研究熱點．

本文采用隨機重構(gòu)方法[13-14]重建了GDL的微孔結(jié)構(gòu)，通過有限元方法(FEM)模擬了GDL的變形過程，并采用三維氧氣擴散模型模擬受壓GDL多孔結(jié)構(gòu)中的氧氣傳輸過程．考慮到GDL的各向異性，分別從GDL平面方向(in-plane)和GDL厚度方向(through-plane)研究壓縮變形狀態(tài)對GDL中氧氣傳輸?shù)挠绊?，以及GDL的關(guān)鍵材料參數(shù)如GDL厚度、纖維直徑、孔隙率等對壓縮后氣體擴散層中氧氣傳輸?shù)挠绊懀疚乃@得的結(jié)論能夠為流道和GDL的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)和工程指導(dǎo)．

1?三維模型建立及模型介紹

本文假設(shè)PEMFC的陰/陽極具有相似的機械性能．為了提高計算效率，本文采用隨機重構(gòu)法來生成GDL微觀結(jié)構(gòu)．整個計算域由BP和GDL組成．其中，GDL中間位置承受來自脊的裝配壓力．有限元模型網(wǎng)格尺寸為2.0μm，計算域采用(600～800)×104六面體網(wǎng)格進行離散．在氧氣擴散模型中，GDL厚度方向網(wǎng)格尺寸為1μm，其他兩個方向分別為2.0μm和3.0μm，網(wǎng)格數(shù)量為(1500～2000)×104．本文通過在氧氣擴散模型中采用尺度小于有限元模型的網(wǎng)格來避免GDL微觀結(jié)構(gòu)在二次空間離散時的失真現(xiàn)象．詳細計算域如圖1所示，計算結(jié)果給出云圖的截面位置如圖1中1所示．研究所采用的GDL共有9組樣本，在GDL厚度、纖維直徑、孔隙率、壓縮比等4個參數(shù)中，除了特別指出參數(shù)外，其余均與原始參數(shù)相同．值得注意的是壓縮比是GDL受壓后與受壓前厚度的比值．本文采用氧氣擴散模型研究了氧氣沿GDL平面和GDL厚度2個方向的擴散過程，具體邊界條件設(shè)置如圖2所示．模型計算所需的幾何參數(shù)和基本操作條件如表1所示．

圖1?GDL微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型示意

圖2?氧氣擴散模型的邊界條件

1.1?有限元模型

本文通過隨機重構(gòu)的方法獲得GDL的微觀結(jié)構(gòu)，碳紙GDL的重建過程和FEM模型基于以下假設(shè)：①纖維是直徑恒定的圓柱形狀；②纖維隨機放置在平面上；③纖維取向垂直于軸方向；④允許纖維貫穿并忽略PTFE處理；⑤GDL發(fā)生彈性形變．有限元模型中的機械參數(shù)如表2[15]所示．

表1?模型幾何參數(shù)和基本操作條件

Tab.1 Geometric parameters and operating conditions of samples

表2?有限元模型中的機械參數(shù)

Tab.2?Mechanical parameters used in the FEM model

在得到隨機重構(gòu)的GDL后，采用有限元(FEM)模型模擬GDL微孔結(jié)構(gòu)的變形．由于CL、PEM的彈性模量遠大于GDL[16]，因此可以忽略這兩部分的變形．由于螺栓的存在，所有組件的接觸面都被視為綁定接觸以避免滑動．所有組件進行了位移約束，不存在側(cè)向滑移，并且位移僅發(fā)生在-軸方向．

FEM模型的控制方程如下.

平衡微分方程：

幾何方程：

物理方程：

GDL被壓縮時的微觀結(jié)構(gòu)如3(a)所示，與之對應(yīng)的未被壓縮時的微觀結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示．在不均勻壓縮的情況下，脊下部分的GDL被壓縮，孔隙率變?。涣鞯老碌腉DL在其邊緣略有上翹，孔隙率略有變化，纖維結(jié)構(gòu)整體發(fā)生了較大變化．

纖維直徑D＝8 mm；GDL厚度L＝192 mm

1.2?氧氣擴散模型

本文針對氧氣的穩(wěn)態(tài)過程進行了研究，氧氣擴散模型假設(shè)氧氣擴散系數(shù)恒定．進口氧氣濃度設(shè)為固定值(10mol/m3)，出口氧氣濃度設(shè)為固定梯度??(-700mol/m4)．其他側(cè)壁面均定義為對稱邊界條件，在計算不同方向氧氣擴散過程時，氧氣濃度和梯度的設(shè)置位置如圖2所示．

本文基于第一菲克擴散定律求解氧氣濃度，由擴散控制方程得

式中：為孔隙區(qū)域的氧氣濃度；bulk為氧氣在干燥空氣中的二元擴散系數(shù)，取值為2.19×10-5m2/s[17]．

本文研究了非均勻壓縮對GDL中兩個擴散方向氧氣傳輸?shù)挠绊?，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)(GDL厚度、纖維直徑、孔隙率等)對非均勻壓縮后GDL中氧氣傳輸?shù)挠绊懀邢拊Ｐ突贏NSYS平臺開發(fā)，通過共軛預(yù)處理方式(PCG)對力學(xué)控制方程進行計算．氧氣擴散模型基于開源軟件OpenFOAM開發(fā)，采用求解壓力耦合方程的半隱式算法(semi-implicit method for pressure linked equations，SIMPLE)進行求解．

為驗證模型的正確性，本文對其網(wǎng)格進行獨立?性[18]驗證，如圖4所示，采用圖中6組網(wǎng)格設(shè)置對受壓GDL的形貌進行了研究，發(fā)現(xiàn)采用2μm網(wǎng)格獲得的變形形貌與1μm網(wǎng)格已趨于一致，因此選定2μm為本文中的網(wǎng)格設(shè)置．本文將壓縮的GDL微觀結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果進行定性分析，GDL微觀結(jié)構(gòu)變形規(guī)律以及形貌分布一致[19]．本文所采用的GDL氧氣擴散模型也與實驗以及不同的常用氧氣有效擴散系數(shù)模型[2]進行了對比驗證．

圖4?FEM模型網(wǎng)格獨立性驗證

2?結(jié)果與討論

本節(jié)討論了沿GDL平面方向和GDL厚度方向，壓縮對GDL中氧氣傳輸?shù)挠绊懀渲械?.1節(jié)討論了不同的裝配壓力(1.4MPa，2.8MPa，4.2MPa，5.6MPa)下獲得的GDL微觀結(jié)構(gòu)變形對氧氣傳輸?shù)挠绊懀档米⒁獾氖沁@4組裝配壓力對應(yīng)4類不同的GDL壓縮比(10%，20%，30%，40%)；第2.2節(jié)研究了GDL厚度、纖維直徑、孔隙率等不同材料參數(shù)下氧氣濃度分布情況．

2.1?壓縮程度對GDL氧氣傳輸?shù)挠绊?/h3>

圖5所示為壓縮程度對GDL平面方向氧氣傳輸?shù)挠绊懀?dāng)壓縮比不變時，氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在GDL平面方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度，氧氣濃度值范圍為8.0～10.0mol/m3．在流道與脊的交界處，由于應(yīng)力集中，孔隙率相較原始孔隙率急劇變小，且GDL結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，在流道與脊的過渡區(qū)域氧氣濃度較低．這是由于流道下方比脊下的GDL受到的裝配壓力小，氧氣擴散路徑更多，氧氣擴散橫截面更大，在流道下比在脊下的氧氣阻力更小.隨著壓縮比增大(從10%至40%)，在整個計算域內(nèi)，氧氣濃度分布梯度變大，范圍在8.0～10.0mol/m3，出口處氧氣濃度從約8.5mol/m3逐漸向8.0mol/m3的位置移動，氧氣濃度梯度增大，氧氣擴散能力變差．壓縮比從10%增加到30%和其從30%增加到40%相比，氧氣擴散能力變化較小．因為隨著壓縮比的增加，GDL的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，整個GDL的孔隙率變小，在脊下的孔隙率變化尤其明顯，導(dǎo)致氧氣擴散路徑發(fā)生很大的變化．氧氣濃度在流道下方變化不大，在脊下部分隨著裝配壓力增大而變?。?/p>

圖6所示為GDL厚度方向壓縮程度對GDL氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比不變時，氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在GDL厚度方向形成一個均勻的氧氣濃度分布，范圍為9.5～10.0mol/m3，比GDL平面方向的氧氣濃度更加均勻．對于方向的氧氣擴散來說，由于不均勻壓縮，在流道下比在脊下的GDL受到的阻力更小，在流道下比在脊下的氧氣傳輸速度大，并且在脊下存在氧氣濃度很小的區(qū)域．隨著壓縮比的增大(從10%至40%)，在整個計算域內(nèi)，氧氣濃度分布梯度變大，但沒有GDL平面方向變化明顯，范圍依然在9.5～10.0mol/m3．通過分析在平面的橫截面(相同比例1＝0.5)處的氧氣濃度分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮比的增加，整個GDL的孔隙率變小，在脊下的孔隙率變化尤其明顯，導(dǎo)致氧氣擴散路徑發(fā)生很大的變化，流道下的氧氣濃度變化不大，在脊下的氧氣濃度急劇減小，并且是從中間開始減小，中間脊處的過渡區(qū)域越來越?。?/p>

圖5?壓縮程度對GDL氧氣擴散的影響(GDL平面方向)

圖6?壓縮程度對GDL氧氣擴散的影響(GDL厚度方向)

2.2?結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮GDL氧氣傳輸?shù)挠绊?/h3>

2.2.1?GDL厚度的影響

圖7所示為不同GDL厚度對在受壓狀態(tài)下其內(nèi)部氧氣濃度分布的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，GDL原始厚度分別為192μm和110μm．在氧氣擴散穩(wěn)定后，GDL平面方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度，范圍為8.0～10.0mol/m3，192μm比110μm的GDL中氧氣濃度梯度更加均勻，出口處氧氣濃度更大，氧氣擴散能力更好．說明厚度會影響氧氣擴散，厚度越大，在GDL平面方向的有效擴散截面越大，越有利于氧氣傳輸．在流道處的氧氣傳輸速率基本相同，在脊下的氧濃度110μm的GDL明顯小于192μm的GDL，且流道和脊之間氧擴散過渡面積變大．

圖8所示為不同GDL厚度對壓縮后氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，GDL原始厚度分別為192μm和110μm．GDL在厚度方向的氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在該方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度，范圍為9.5～10.0mol/m3．通過分析在平面的橫截面(相同比例1＝0.5)處的氧氣濃度分布的情況，發(fā)現(xiàn)隨著厚度的增加，流道下的氧氣濃度變小，脊下的氧氣濃度變大．

圖7 GDL厚度對壓縮后氧氣擴散的影響(GDL平面方向)

圖8 GDL厚度對壓縮后氧氣擴散的影響(GDL厚度方向)

2.2.2?纖維直徑的影響

圖9所示為GDL平面方向纖維直徑對壓縮GDL氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，纖維直徑為7μm的GDL在平面方向的氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在該方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度．隨著纖維直徑的增加，氧氣濃度梯度略有增加，說明在孔隙率相同的情況下，纖維直徑越小，氧氣在GDL平面方向的擴散能力越強，主要由于在相同孔隙率下，纖維直徑越小，氣體擴散層中的孔越多，壓縮后變形程度越小，氧氣擴散路徑越大．說明纖維直徑會影響氧氣擴散，但影響較?。?/p>

圖10所示為GDL厚度方向纖維直徑對壓縮GDL氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，纖維直徑為7μm的GDL在厚度方向的氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在該方向隨著纖維直徑的增加，氧氣濃度梯度基本不變，說明在孔隙率相同的情況下，纖維直徑在GDL厚度方向?qū)ρ鯕鈹U散的影響較小，只是氧氣擴散途徑不同，達到穩(wěn)態(tài)后的氧氣濃度分布基本相同．通過分析在平面的橫截面處(相同比例1＝0.5)的氧氣傳輸速率的情況，發(fā)現(xiàn)隨著纖維直徑的增加，GDL右側(cè)氧氣濃度略有提高，可以改善氧氣擴散能力．

圖9 纖維直徑對壓縮GDL氧氣擴散的影響(GDL平面方向)

圖10 纖維直徑對壓縮GDL氧氣擴散的影響(GDL厚度方向)

2.2.3?孔隙率的影響

圖11所示為GDL平面方向，孔隙率對壓縮后GDL中氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，孔隙率為0.70的GDL在GDL平面方向的氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在該方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度．隨著孔隙率的增大，氧氣濃度梯度分布更加均勻，氧氣擴散能力明顯變好，在脊下方的氣體擴散層中氧氣濃度的過渡區(qū)變大，氧氣傳輸速率變小，但在流道下方的氧氣傳輸速率變化很?。f明孔隙率會影響GDL中的氧氣擴散，而且在脊下GDL中影響更大．

圖11 孔隙率對壓縮后GDL氧氣擴散的影響(GDL平面方向)

圖12所示為GDL厚度方向，孔隙率對壓縮后GDL氧氣擴散的影響．當(dāng)壓縮比為40%時，孔隙率為0.70的GDL在GDL厚度方向的氧氣擴散達到穩(wěn)定后，在該方向形成一個穩(wěn)定的氧氣濃度梯度，范圍為9.5～10.0mol/m3．通過分析在平面的橫截面(相同比例1＝0.5)處的氧氣濃度分布發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙率增大，流道和脊下的氧氣濃度同時增加，脊比流道下的氧氣濃度增加更多．隨著孔隙率的增加，流道和脊之間氧氣濃度分布的過渡區(qū)更大．在流道與脊的過渡區(qū)域與GDL的接觸部位，隨著孔隙率增大，右側(cè)氧氣濃度變大，而且出現(xiàn)了非常明顯的氧氣聚集現(xiàn)象，說明孔隙率增加會改善氧氣的擴散．

圖12 孔隙率對壓縮后GDL氧氣擴散的影響(GDL厚度方向)

3?結(jié)?論

本文基于隨機重構(gòu)方法重建了GDL微觀結(jié)構(gòu)，采用有限元模型(FEM)模擬了GDL受壓變形過程，并結(jié)合氧氣擴散模型，針對壓縮比及GDL關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對GDL中氧氣傳輸?shù)挠绊懻归_了研究，討論了GDL平面方向和GDL厚度方向的氧氣擴散情況，獲得的主要結(jié)論如下．

(1) GDL中氧氣傳輸受壓縮的影響很大．在GDL平面方向，壓縮比超過30%時，擴散層氧氣擴散能力出現(xiàn)明顯下降；在GDL厚度方向，壓縮量的增加對流道下的氧氣濃度影響較小，但會引起脊下氧氣濃度降低，在遠離流道部位表現(xiàn)尤為明顯．

(2) 隨著纖維直徑的增加，GDL平面方向的氧氣擴散能力略有增加，GDL厚度方向并不明顯，纖維直徑對壓縮后GDL中氧氣擴散的影響較?。?/p>

(3) 隨著GDL厚度的增加，GDL下部的壓縮程度變小，下部的氧氣擴散能力變強，纖維直徑對壓縮后GDL中氧氣擴散的影響較大．

(4) 隨著孔隙率的增加，GDL平面方向的氧氣擴散能力增加，而在GDL厚度方向，流道和脊下的氧氣濃度同時增加，但脊下氧氣濃度增加更為明顯，孔隙率對氧氣擴散的影響較大．

［1］ Yin Yan，Wu Tiantian，He Pu，et al. Numerical simulation of two-phase cross flow in microstructure of gas diffusion layer with variable contact angle[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2014，39：15772-15785.

［2］ Niu Zhiqiang，Wu Jingtian，Wang Yun，et al. Investigating the in-/through-plane effective diffusivities of dry and partially-saturated gas diffusion layers[J]. Journal of the Electrochemical Society，2018，165(11)：F986-F993.

［3］ Omrani R，Shabani B. Gas diffusion layer modifications and treatments for improving the performance of proton exchange membrane fuel cells and electrolysers：A review[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2017，42(47)：28515-28536.

［4］ Zhang X M，Zhang X X. Impact of compression on effective thermal conductivity and diffusion coefficient of woven gas diffusion layers in polymer electrolyte fuel cells[J]. Fuel Cells，2014，14(2)：303-311.

［5］ T?tzke C，Gaiselmann G，Osenberg M，et al. Three-dimensional study of compressed gas diffusion layers using synchrotron X-ray imaging[J]. Journal of Power Sources，2014，235：123-131.

［6］ Daisuke Kanda，Hirotatsu Watanabe，Ken Okazaki，et al. Effect of local stress concentration near the rib edge on water and electron transport phenomena in polymer electrolyte fuel cell[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，67：659-665.

［7］ Williams M V，Begg E，Bonville L，et al. Characterization of gas diffusion layers for PEMFC[J]. Journal of the Electrochemical Society，2004，151(8)：A1173-A1180.

［8］ Escribano S，Blachot J F，Etheve J，et al. Characterization of PEMFCs gas diffusion layers properties[J]. Journal of Power Sources，2006，156：8-13.

［9］ Owejan J P，Trbold T A，Jacobson D L，et al. Effects of flow field and diffusion layer properties on water accumulation in a PEM fuel cell[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007，32(4)：489-502.

［10］ Ozden Adnan，Shahgaldi Samaneh，Li Xianguo，et al. A review of gas diffusion layers for proton exchange membrane fuel cells：With a focus on characteristics，characterization techniques，materials and designs[J].Progress in Energy and Combustion Science，2019，74：50-102.

［11］ Wu Rui，Zhu Xun，Liao Qiang，et al. Determination of oxygen effective diffusivity in porous gas diffusion layer using a three-dimensional pore network model[J]. Electrochimica Acta，2010，55(24)：7394-7403.

［12］ Zamel Nada，Li Xianguo，Shen Jun，et al. Estimating effective thermal conductivity in carbon paper diffusion media[J]. Chemical Engineering Science，2010，65：3994-4006.

［13］ Chen L，Luan H B，He Y L，et al. Pore-scale flow and mass transport in gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell with interdigitated flow fields[J]. International Journal of Thermal Sciences，2012，51：132-144.

［14］ Zamel N，Li X，Shen J，et al. Numerical estimation of the effective electrical conductivity in carbon paper diffusion media[J]. Applied Energy，2012，93：39-44.

［15］ Movahedi M，Ramiar A，Ranjber A，et al. 3D numerical investigation of clamping pressure effect on the performance of proton exchange membrane fuel cell with interdigitated flow field[J]. Energy，2018，142：617-632.

［16］ Tang Y，Karlsson A M，Santare M H，et al. An experimental investigation of humidity and temperature effects on the mechanical properties of perfluorosulfonic acid membrane[J]. Materials Science and Engineering，2006，425(1/2)：297-304.

［17］ Zamel N，Li X，Becker J，et al. Effect of liquid water on transport properties of the gas diffusion layer of polymer electrolyte membrane fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2011，36：5466-5478.

［18］ 李雅楠. 壓縮對氣體擴散層中氣體傳輸?shù)挠绊慬C]// 2019年中國工程熱物理年會傳熱傳質(zhì)分會論文集. 中國青島，2019：193084.

Li Yanan. The effect of compression on gas transmission in gas diffusion layer[C]// Proceedings of the Heat and Mass Transfer Branch of the 2019 Chinese Society of Engineering Thermophysics. Qingdao，China，2019：193084(in Chinese).

［19］ Zhou Xia，Niu Zhiqiang，Li Yanan，et al. Investigation of two-phase flow in the compressed gas diffusion layer microstructures[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44：26498-26516.

Investigation of Oxygen Transport in the Microstructures of the Compressed Gas Diffusion Layer

Du Qing，Li Yanan，Niu Zhiqiang，Zhou Xia，Bao Zhiming，Jiao Kui

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A gas diffusion layer(GDL)is a key component for achieving efficient gas transport in the electrodes of a proton exchange membrane fuel cell. In an actual battery，the assembly pressure experienced by the GDL causes severe deformation of its internal structure，especially the compressed portion under the ridge. However，related research in China and elsewhere has mainly focused on uncompressed GDLs，with relatively little work conducted on the oxygen transmission process in a GDL subject to deformation under local compression. The mass transfer mechanism in a compressed GDL is also unclear. To clarify the influence of microstructural deformation of the GDL on the internal oxygen transport process due to assembly pressure，in this study，we established a compressed-GDL pore-scale oxygen diffusion model based on the finite element method(FEM)and a GDL-microstructure random reconstruction algorithm. We made a detailed investigation of the oxygen transfer processes in the GDL pores at four levels of assembly pressure(1.4MPa，2.8MPa，4.2MPa，and 5.6MPa). In addition，we studied the effects of structural parameters such as porosity，fiber diameter，and GDL thickness on the oxygen transport characteristics in compressed GDLs. The results show that with increases in the assembly pressure，the minimum oxygen concentration in the GDL gradually decreases and the uniformity of the oxygen concentration distribution in the flow channel and ridge worsens. As the fiber diameter decreases and the porosity increases，across the GDL plane，the oxygen diffusion capacity in the compressed GDL increases. In the thickness direction of the GDL，the oxygen concentrations in the flow channel and ridge increase simultaneously，with the oxygen concentration in the ridge increasing more，and the oxygen concentration gradient between the flow channel and ridge also increasing. The porosity of the GDL has a significant effect on the diffusion of oxygen in a compressed GDL；as the GDL porosity increases，the minimum oxygen concentration in the GDL increases. When oxygen is transmitted within the GDL plane，as the thickness of the GDL decreases，the resistance to lateral oxygen-mass transfer increases，and the minimum oxygen concentration in the GDL decreases. We also found that the fiber diameter has a less significant effect on oxygen diffusion in compressed GDLs.

proton exchange membrane fuel cell；reconstruction of gas diffusion layer；assembly pressure；oxygen transport；finite element

TK448.21

A

0493-2137(2020)11-1175-08

10.11784/tdxbz201911022

2019-11-15；

2019-12-03.

杜?青（1967—??），男，博士，教授，duqing@tju.edu.cn.

焦?魁，kjiao@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51976138)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB0105500).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51976138)，the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFB0105500).

(責(zé)任編輯：金順愛)