宇高义郎，许竞莹，王国卓，陈志豪

（1 天津大学机械工程学院，天津300350； 2 中低温热能高效利用教育部重点实验室（天津大学），天津300350）

引 言

作为一种理想的氢能源转换装置，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有高效、高能量密度、洁净等优点[1-3]。工作时，氢气与氧气进入PEMFC 内部发生电化学反应，产生电能的同时生成液态水并从电池内排出[4]。而在反应气体和液态水的扩散和传输中，PEMFC 中的气体扩散层(gas diffusion layer, GDL)起到了关键性作用。GDL 既要具有一定保水能力，又要及时分散并排出水分，防止因水过量聚集而堵塞气体扩散通道[5-7]。为了防止水淹现象的发生，常在GDL 表面涂覆聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene,PTFE)，使其具有疏水性来加快GDL 的排水过程[8-12]。由于GDL 是一种具有多孔结构的碳纤维层，当电池停机后，其内部孔隙不可避免地残留一定水分。而在低温条件下，GDL 孔隙中的水易发生冻结，阻塞反应气体传输通道，导致燃料电池启动失败[13]。另一方面，结冰产生的冻胀应力会造成GDL 的力学剪伤，同时也会损伤电池组的内部结构，进而缩短PEMFC的使用寿命[14-15]。

为了尽可能地减少GDL 内冻结现象的发生，减轻或者消除低温对电池的破坏，改善燃料电池冷启动性能，国内外科研人员针对PEMFC内部过冷水行为及含水GDL 的结冰机理开展了一系列研究[16-27]。Ishikawa 等[16-17]利用高速摄像机观察了燃料电池纵断面上的过冷水状态，发现结冰出现在膜电极(membrane electrode assembly, MEA)和GDL 的交界面处，同时发现在燃料电池启动之前使用干燥气体对气体流道进行充分吹扫，可以延长过冷水的存在时间，提高燃料电池性能。……