PEMFC气体扩散层蒸发干燥机理孔隙尺度研究

Proton exchange membrane fuell (PEMFC) is considered as one of most promising clean energy. To ensure operation of PEMFC under the low-temperature environment, dry gas is purged into the gas channel of PEMFC to remove liquid water in the gas diffusion layer through the drying mechansim. In order to reduce the pump power for the gas purge, it is needed to deeply understand the evaporation process in the gas diffusion layer so as to optimize the gas purge process. However, the gas diffusion layer, composed of carbon fibers and hydrophobic agent, not only has complex microstructures but also has mixed wettability (i.e. some pores are hydrophilic and the others are hydrophobic). Therefore, the drying process in the gas diffusion layer is completely different fromm that in the fully hydropohbic or hydrophilic porous media. In this proposal, similarity experiment and pore network models are employed to disclose the pore scale drying process in the gas diffusion layer during the gas purge. The movement of liquid-gas interface, the variation of the liquid clusters number, structure, and distribution, and drying curve will be explored. The effects of the viscous forces, wettabiltiy, microstrucutre on the drying process in the gas diffusion layer will be elucidated to optimize the gas purge protocol.

质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是最有前景的清洁能源之一。为了使得PEMFC在低温环境下运行，通常在电池关闭后通入干燥气体进行吹扫，使得阴极气体扩散层中的液态水通过蒸发干燥作用被排除。为了减少干燥气体吹扫所消耗的泵功以提供电池系统的效率，必须深入了解气体扩散层内蒸发干燥过程，以优化吹扫参数和气体扩散层。然而，由碳纤维和憎水材料构成的多孔气体扩散层不仅具有复杂的微观结构还具有混合润湿特性，即其孔隙一部分为亲水，而另一部分为憎水。因此，气体扩散层内蒸发干燥过程与传统的完全亲水或完全憎水多孔介质内的干燥过程有很大的不同。 本项目拟采用相似实验和孔隙网络模型从孔隙尺度揭示在干燥气体吹扫条件下气体扩散层内蒸发干燥过程；获得干燥过程中气体扩散层内相界面运动特性，液体团数目、结构、和分布的变化规律；得到蒸发干燥曲线，并揭示粘性力、润湿性、以及结构对干燥特性的影响，为优化气体吹扫方案提供指导。

质子交换膜燃料电池（PEFMC）被认为是最有前景的清洁能源之一。为了使得PEMFC在低温环境下运行，通常在电池关闭后通入干燥气体进行吹扫，使得阴极气体扩散层中液态水通过蒸发干燥作用被排除。为了减少干燥气体吹扫所消耗的泵功以提高电池系统的效率，必须深入了解气体扩散层内蒸发干燥过程，以优化吹扫参数和气体扩散层。然而，由碳纤维和憎水材料构成的多孔气体扩散层不仅具有复杂的微观结构还具有混合润湿特性，即其孔隙一部分为亲水，而另一部分为憎水。因此，气体扩散层内蒸发干燥过程与传统的完全亲水或完全憎水多孔介质内的干燥过程有很大的不同。..本项目利用相似实验和孔隙网络模型从孔隙尺度上揭示干燥气体吹扫条件下气体扩散层内蒸发干燥过程。基于相似实验，揭示由于多孔介质内较小和较大孔隙界面的结构突扩造成的毛细阀效应，会导致两种孔隙侵入方式，即突破侵入和聚合侵入，并得到这两种侵入方式的门阙压力的表达式。在此基础上，构建了考虑毛细阀效应的孔隙网络模型模拟多孔介质中的两相流动以及干燥过程，并与实验结果进行对比，发现如果在模型中考虑毛细阀效应，模型的模拟结果和实验结果吻合较好，否则会有较大差别。基于开发的孔隙网络模型，发现在多孔介质干燥过程中，如果气相侵入过程为突破侵入主导，那么气相侵入过程呈现随机特性；如果气相侵入过程为聚合侵入主导，那么气相侵入呈现稳定侵入特性。在此基础上，构建了三维规则孔隙网络代表真实气体扩散层的空间结构，并与开发的孔隙网络模型相结合，对干燥气体吹扫条件下气体扩散层的干燥特性进行研究。发现气体扩散层的干燥可分为三个阶段，表面干燥阶段、恒定速率阶段、以及下降速率阶段。并进一步分析气体扩散层的混合润湿特性对干燥过程的影响。