刘青山，兰凤崇，陈吉清，王俊峰，曾常菁

（1. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640；2. 华南理工大学，广东省汽车工程重点实验室，广州 510640）

前言

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有工作温度低、污染低、能量转换率高等优点，是作为车载动力的理想来源。车用PEMFC 动力系统的高功率输出特性导致电池的气体扩散层（gas diffusion layer，GDL）内部会有大量的液态水存在，见图1（a），而系统的连续变载工作特点又要求GDL 有较高的传质能力。GDL 的制造方法导致其纤维摆放具有随机性，见图1（b），这导致其纤维孔隙特性，包括孔隙率、孔隙分布导致的各向异性传质能力和孔径大小与分布不均等在一定范围内随机分布，无法对这些属性进行精确控制。由于GDL 的厚度有明确限制，各属性之间的相互影响增强，所以GDL 纤维孔隙特性对其传质能力的影响是综合且复杂的。在这种情况下，对GDL 传质能力的控制和优化比较困难。基于此而开发的新一代有序化GDL、金属GDL 能够准确控制内部的孔径大小和分布，从而准确控制其传质能力。理清、研究GDL 内部的液态水传递行为有助于找出影响液态水运动的关键因素，对其传质能力的设计和FC 水管理能力的增强有重要意义。

图1 PEMFC的结构组成和液态水从CL进入GDL的示意图

在GDL 和气体流道（gas flow channel，GC）的整体系统内描述液态水的运动方面，Niu 等使用流体体积（volume of fluid，VOF）方法研究了2 个相邻GC之间GDL 中的液态水-空气横向流动。Niblett 等使用VOF 方法进行了动态两相流模拟，研究了GDL孔隙形态、微孔层（microporous layer，MPL）缺陷和GDL 与GC 之间的相互作用对系统中水动力学的影响。……