《Energy Conversion and Management-X》：Geometric design of gas diffusion layer of PEMFCs to improve water management using multiphase lattice Boltzmann method
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本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中气体扩散层(GDL)的水管理难题，通过开发三维两相流格子玻尔兹曼-流体体积法(LBM-VOF)模型，系统探究了孔隙率、纤维直径、接触角等关键几何参数对水滴动力学的影响。研究发现，相较于传统纤维基结构，多八边形(MultiOctagon)和六边形(Hexagon)等网格基几何构型能显著降低水饱和度(分别降低42.16%和44.99%)和排水时间(分别减少47.61%和43.99%)，为高性能PEMFCs的GDL设计提供了重要理论依据。
在追求清洁能源的时代浪潮中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)因其高效率和零排放的突出优势，被视为交通动力和便携式电源领域的明星技术。然而，这颗明珠却长期被一个看似微不足道却至关重要的难题所困扰——水管理。特别是在其核心部件气体扩散层(Gas Diffusion Layer, GDL)内部，液态水的产生、积聚和移除过程如同一场微尺度的“水利工程”，直接决定着电池的性能与寿命。过多的水会堵塞气体通道，导致“水淹”现象，阻碍反应气体到达催化剂层，使得电池性能急剧下降甚至失效；而过少的水又会使质子交换膜过于干燥，降低质子传导率，同样影响电池效率。这种“过犹不及”的平衡艺术，使得GDL内的水管理成为PEMFCs技术走向大规模商业化必须攻克的关键堡垒。
传统上，GDL多采用碳纸、碳布等纤维基材料，其复杂的随机孔隙结构虽然有利于气体扩散和机械支撑，但也为液态水的顺畅排出设置了重重障碍。为了深入理解水滴在GDL微米级孔隙中的动态行为，并指导更优的GDL结构设计，研究人员迫切需要一种能够在孔隙尺度上精确模拟气液两相流动的强大工具。以往的研究多集中于纤维基结构参数的优化，而对更具潜力的规则网格基结构探索不足。此外，常用的多相流模拟方法，如Shan-Chen模型，在处理高密度比、高粘度比的真实流体时，常受限于数值不稳定性和较大的伪速度，影响计算精度。
为了解决上述问题，并系统揭示GDL几何结构对水管理性能的影响机制，本研究在《Energy Conversion and Management-X》上发表了一项创新性研究。研究人员开发了一种结合了格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)和流体体积法(Volume of Fluid, VOF)的三维两相流模型(LBM-VOF)。该模型基于Palabos平台构建，并引入了非平衡压力张量和改进的压力公式等关键增强项，能够更准确地捕捉高密度比和粘度比下的相界面行为，并将最大伪速度降至Shan-Chen模型的1/19，显著提升了模拟的准确性和稳定性。模型首先通过液滴在平板上的铺展行为以及液滴在规则多孔介质中的渗流过程，与已有实验和模拟数据进行了验证，确保了其可靠性。
研究团队利用随机纤维生成算法，重构了多种具有不同孔隙率(50%, 60%, 70%)和纤维直径(4 μm, 6 μm, 8 μm)的纤维基GDL几何模型。同时，为了探索超越传统纤维结构的新方案，他们还设计了七种孔隙率为70%的规则网格基结构，包括立方体(Cubic)、立方交叉(Cubic-Cross)、交叉(Cross)、开尔文1(Kelvin1)、开尔文2(Kelvin2)、六边形(Hexagon)和多八边形(MultiOctagon)。所有模拟均在100×100×100 μm3的计算域内进行，网格分辨率为1 μm，并进行了网格无关性验证。模拟条件设定为操作温度80°C，水接触角120°，水注入速度0.1 m/s，考虑了真实的水和物性参数。
研究结果首先细致分析了纤维基GDL中关键参数的影响。在孔隙率和纤维直径的影响方面，研究表明，降低孔隙率和增大纤维直径有助于形成更有效的排水路径。例如，将孔隙率从70%降至50%（纤维直径保持8 μm），能使水饱和度降低39.89%，排水时间缩短52.55%。然而，这种改进伴随着毛细压力的大幅上升（增加186.13%）。图中清晰展示了不同结构下毛细压力与饱和度的关系以及性能对比。在接触角的影响方面，更高的接触角（如135°）对应更强的疏水性，虽然提高了毛细压力，但有利于水珠的快速排出并降低最终水饱和度。显示了接触角对排水性能的显著影响。在入口速度的影响方面，增加水的注入速度（如从0.1 m/s提高到1 m/s）可以显著缩短排水时间，但也会导致更高的瞬态毛细压力和最终水饱和度，这是因为更强的粘性力克服了毛细阻力，使水进入了更多更小的孔隙。
研究的亮点和创新点在于对网格基GDL结构的深入探索。结果表明，规则网格结构，特别是那些具有高面内连通性和垂直方向（穿透平面）优先导电路径的结构，表现出卓越的水管理性能。直观展示了水滴在不同网格结构中的动态排出过程。其中，Kelvin2结构表现最佳，水饱和度和排水时间相较于基准纤维结构（70%孔隙率，8 μm纤维直径）分别降低了53.31%和65.24%，但其毛细压力也最高（增加了268.32%）。而Hexagon和MultiOctagon结构则展现了更均衡的性能，它们在显著改善水饱和度和排水时间（Hexagon: 饱和度降44.99%，时间降43.99%；MultiOctagon: 饱和度降42.16%，时间降47.61%）的同时，毛细压力的增加相对温和（分别增加129.23%和134.89%），在实际应用中可能更具吸引力。综合对比了各种网格结构的性能。
研究人员进一步从孔隙网络的角度解释了不同网格结构的性能差异。他们将水输运机制归结为两类控制因素：由临界喉道半径控制的毛细进入壁垒（决定毛细压力大小）和由穿透平面连通性及曲折度各向异性控制的渗流排水性能（决定排水时间和饱和度）。Kelvin2结构具有极高的穿透平面连通性和强烈的各向异性，能快速形成连续的垂直水柱，故排水极快，饱和度低，但其结构中也存在限制性强的临界喉道，导致毛细压力很高。Hexagon和MultiOctagon则通过相对均匀的喉道分布和良好的穿透平面连通性，在维持高效排水的同时，避免了过高的毛细阻力，取得了平衡的性能。
本研究通过先进的LBM-VOF多相流模拟技术，系统揭示了GDL几何结构参数对水管理性能的影响规律，并创新性地提出了多种性能优异的网格基GDL构型。结论表明，优化GDL的微观几何结构是提升PEMFCs水管理能力的有效途径。特别是Hexagon和MultiOctagon等规则网格结构，即使在较高孔隙率下也能实现高效排水和可控的毛细压力，为下一代高性能、长寿命PEMFCs的GDL设计提供了新的思路和重要的理论指导。尽管当前商用GDL仍以碳基纤维材料为主，但随着制造工艺的进步，这些规则网格结构展现出巨大的应用潜力和工程化前景。该研究不仅深化了对多孔介质内两相流动机理的理解，也为能源转换器件的材料设计提供了微观尺度上的科学依据。
