天津大学杜青教授团队 |质子交换膜燃料电池多孔电极中的两相流动

文章信息

Daokuan Jiao, Kui Jiao, Qing Du. Two-Phase Flow in Porous Electrodes of Proton Exchange Membrane Fuel Cell: A Review. Trans Tianjin Univ, 2020: https://doi.org/10.1007/ s12209-020-00239-7

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-020-00239-7

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本文亮点

✍水管理对于提升质子交换膜燃料电池性能具有重要作用。在保证质子交换膜的润湿性的同时，又要避免过多的产物水堵塞气体传输通道，造成“水淹”。

✍文章对于多孔电极（催化层，微孔层，气体扩散层）的重构方法进行了回顾，并对相关重构方法的适用性，以及多孔电极重构过程中的局限性进行了评价。

✍从数值仿真角度，对于多孔电极内两相流的主要研究内容进行了总结；对于两相流研究过程中面临的难点进行了说明。

✍文章对现有多孔电极内两相流的研究方法、研究内容的优化方向提出了相关建议；并对未来可能提高燃料电池多孔电极内水管理性能的研究方向进行了展望。

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内容简介

在质子交换膜燃料电池工作过程中，反应气体通过气体扩散层内部的孔隙扩散进入到各自催化层内进行氧化还原反应。阴极催化层所产生的液态水需要通过气体扩散层内部的多孔介质区域排出到流道，以避免电极内部发生水淹现象。

因此，对于多孔电极内两相流的研究是对于提升燃料电池水管理性能的关键。

文章首先对于多孔电极的结构特点进行了介绍。根据其结构特点，从重构角度来看，现有较为流行的方法包括X射线扫描重构和随机算法重构。但由于多孔电极之间结构的巨大差异性以及现有的重构方法的局限性，对于多孔电极的重构仍然面临许多困难。

在多孔电极内两相流的研究的回顾中，分别对于催化层、微孔层和气体扩散层的各自的主要研究方法、研究内容、研究难点进行了介绍。并对研究缺乏三者之间相互联系性的原因进行了分析。

基于现有的研究方法、研究内容的现状，文章对于研究的客观局限性进行了评价，并对于可能的优化方向提出了相关建议。考虑到燃料电池技术的日新月异的发展，文章对未来燃料电池多孔电极内两相流的潜在的研究方向也进行了展望。

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内容简介

表1 多孔电极相关重构方法及多孔电极内两相流的主要研究内容

图（a）气体扩散层结合微孔层裂缝时的重构结构；图（b）数值重构的二维横切面下微孔层裂缝结构示意图（左）以及扫描电镜下微孔层的裂缝结构图（右）

//引用来源：(1) Deng H etal. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 140: 1074-1090.(2) Wang X L etal. Electrochimica Acta, 2006, 51(23): 4909-4915.）

图（a）气体扩散层在受压状态下变形示意图，图（b）为不同压缩程度对气体扩散层内水含量影响的数值仿真结果图

//引用来源：Zhou X, et al. Journalof Power Sources, 2019, 437: 226933.

表2 多孔电极内两相流的研究的局限性及展望

杜青通信作者
天津大学教授/博导，主要从事燃料电池传热传质、液体燃料射流破碎机理等方面的研究工作。在内燃机燃烧学国家重点实验室建立了燃料电池研究团队，承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的研究工作。研究成果在国内外学术期刊发表研究论文近百篇，并担任国际学术期刊Energy and AI的编委会成员。

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