PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究综述

贾秋红，常英杰，李 超，张 伟，肖 燕

(重庆理工大学机械工程学院，重庆400054)

PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究综述

贾秋红，常英杰，李 超，张 伟，肖 燕

(重庆理工大学机械工程学院，重庆400054)

质子交换膜燃料电池气体扩散层中的液态水对于电池的运行和性能有显著的影响。为了提高电池性能，有必要对气体扩散层中液态水的传输进行深入研究。对质子交换膜燃料电池的组成、工作原理进行了阐述，对质子交换膜燃料电池气体扩散层中液态水传输的实验研究(包括传输机制和影响因素)做了较为全面的综述，并对研究结果进行了总结。

PEMFC；气体扩散层；液态水传输；实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低，电池启动速度快，噪声低，结构紧凑和比功率高等优点，已成为目前世界各国研究的热点。除了产生电，氢氧质子交换膜燃料电池还会生成水。如果水不从燃料电池中排出，就会在电池(主要是气体扩散层)中累积，发生水淹现象，进而阻止燃料(H2)和氧化物(O2或空气)的传输，导致电池“饥饿”而无法工作。气体扩散层为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。为了得到良好的质量传输和合理的水管理以提高PEMFC性能，有必要对液态水在气体扩散层中的传输进行深入研究。本文对PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究 (传输机理研究和影响因素研究)做了较为详细的综述。

1 PEMFC的组成及工作原理

一个典型的PEMFC主要由质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板等组成。PEMFC典型结构及工作原理示意图如图1所示。气体扩散层一般由碳纸或碳布制作，其中碳纸比较普遍，碳纸是以短的聚丙烯晴(PAN)碳纤维丝和有机树脂为原料，在惰性气氛下烧结而成，外观类似硬纸的多孔材料[1]。碳纸的孔隙随机分布，如图2(a)所示，碳布的孔隙分布则比较规整，如图2(b)所示。为了在扩散层中产生两种通道——憎水的反应气体通道和亲水的液态水传输通道，则需要对气体扩散层用聚四氟乙烯(PTFE)乳液进行憎水处理。经过憎水处理后的表面一般粗糙不平，为了增强基底层的表面平整度，同时改善气体扩散层孔隙结构，增强导电性，通常在其表面制备一层含有导电碳粉的微孔层(MPL)，MPL位于气体扩散层和催化层之间。

图1 PEMFC单电池典型结构及工作原理示意图

图2 气体扩散层扫描电子显微照片[2]

PEMFC的化学反应方程式为：

产物水首先在阴极催化层表面产生，同时在电渗作用下，水通过质子交换膜由阳极向阴极迁移，导致阴极催化层液态水的饱和度以及水蒸气的分压均高于流场处，液态水和水蒸气由阴极催化层经阴极气体扩散层向流场传输。阳极气体扩散层中水主要来自氢气增湿过程和反扩散。

2 PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究

对于PEMFC气体扩散层中液态水传输的实验研究主要分为两种：一种是对气体扩散层中液态水传输机制的研究；一种是对气体扩散层中液态水传输影响因素的研究。研究主要采用射线扫描成像法(电子显微镜法、中子成像方法、X射线成像方法等)、光学成像法(荧光显微成像法等)、核磁共振成像法等。其中，核磁共振技术存在许多不足，应用不是很广泛。

2.1 PEMFC气体扩散层中液态水传输机制实验研究

2.1.1 电子显微镜法

Nam和Kaviany[3]将Toray公司生产的碳纸置于低温、低水蒸气压力的环境中，利用扫描电子显微镜方法观察碳纸气体扩散层中液滴形成过程，假设两种水传输(微观传输和宏观传输)同时进行。首先许多微小液滴在阴极催化层附近凝结，微小液滴之间又相互凝聚，球形的微小液滴不易受固体结构限制。水的微观传输即液滴从小慢慢长大的过程，但由于这个过程是随机进行的，导致水的微观传输对宏观传输没有太大作用，其功能主要是将凝结的微小液滴从凝结点迁移到流动的大液滴处。微小液滴继续凝聚直至形成连续的水流。由于液态水的压力比较高，液态水沿着已形成的路径向饱和度低的区域流动(流道)，最后在气体扩散层与流场沟道界面形成液滴。这种假想的水传输机制的几何结构如图3所示，形如倒置树的根系，小根须吸收水，大根须传输水。Pasaogullari和Wang[4]也提出了类似的传输机制。

图3 水传输机制的几何结构图

2.1.2 荧光显微成像法

Lister等[5]利用荧光显微成像方法观察了Toray公司生产的非编织的纤维气体扩散层中液态水传输过程。基于实验观察结果，提出了一种新的气体扩散层中液态水传输机制，如图4所示。新提出的液态水传输受指进和指引控制，以大量的“dead ends(死胡同)”为特色。当某个突破通道形成时，临近通道中液态水回流，所有通道动态相连。该传输机制不同于Nam和Kaviany与Pasaogullari和Wang早前提出的类似倒置毛细网络结构。

图4 PEMFC气体扩散层中的水传输机制示意图

Bazylak等[6]继续研究这种传输机制。气体扩扩散层中液态水压力大幅度增加导致液态水的首次突破，突破后，由于通道中液态水压力下降，流场沟道与气体扩散层表面液滴生成频率非常高，当液态水压力达到准平衡，频率开始下降。作者还发现液态水突破点断断续续的改变暗示气体扩散层中液态水的传输通道是动态相连的。

2.2 PEMFC气体扩散层中液态水传输影响因素实验研究

2.2.1 中子成像方法

Satija等[7]利用中子成像方法得到了大量的实时图像数据，并将这些数据制作成影像展现了电池中液态水的产生、传输和移除过程；这些数据也可以用来量化任意时刻电池中液态水的含量。作者还利用掩盖技术区分流道中和气体扩散层中的液态水。

Hussey等[8]提出一种新的探测技术得到了高分辨率电池气体扩散层through-plane方向的液态水分布图，并可以确定电池阴极和阳极液态水的相对含量。

Boillat等[9]通过倾斜探测器提高了图像空间分辨率，并运用该方法同样得到了电池through-plane方向液态水分布图，研究了在高电流密度下进口处反应气体的相对湿度对电池中液态水分布的影响，发现当阴极反应气体相对湿度低于100%时，液态水更倾向在阴极流场板肋部下方气体扩散层中聚集；但当相对湿度高于100%时，液态水在阴极流场沟道中聚集。作者认为周围温度的变化也是影响液态水分布的一个因素。通过对比实验，作者观察到当阴极扩散层中水含量较高时，电池性能降低，主要表现为电压下降。

Turhan等[10]研究了流场沟道壁亲水性与憎水性对电池through-plane方向液态水累积、分布和传输的影响。作者认为扩散层中的液态水通过流场沟道壁进入沟道，沟道壁的亲水性和憎水性影响着扩散层中液态水的存储。在高电流密度时，憎水性沟道壁电池扩散层中液态水含量比亲水性沟道壁电池扩散层中液态水含量高15%。作者同时还观察到液态水主要存储在MPL中，通过对比孔隙率分别为0.72和0.5的MPL的电池液态水饱和度曲线，发现饱和度在MPL和气体扩散层界面陡降，得出结论：MPL表面裂缝和形态对电池中液态水的存储和分布有重要影响。

Gao等[11]发现流场肋上方的气体扩散层中液态水饱和度低于流场沟道上方的气体扩散层中液态水饱和度，认为流场沟道类型影响着气体扩散层中液态水的分布。Wang等[12]得到了具有不同流场沟道的电池阴极气体扩散层中液态水饱和度曲线，结果显示叉指形沟道电池液态水饱和度明显低于蛇形沟道，更有利于氧气的传输，特别是在高电流密度和低氧气流量时，叉指形沟道电池性能更好。

Owejan等[13]得到了分辨率较高的气体扩散层中液态水的饱和度图，通过观察分析，定性地认为总体液态水饱和度与传输阻力之间有很强的相关性。

2.2.2 X射线扫描成像法

在电池排气过程中，Sinha等[14]利用X射线成像技术得到了高分辨率气体扩散层中液态水分布的三维图，从而证明了X射线成像技术在量化气体扩散层中液态水方面的可行性。

Manke等[15]利用同步加速器式X射线成像技术分析了气体扩散层中液态水的产生、成长以及传输过程，观察到了气体扩散层小孔中慢慢充满液态水，最终形成水簇，这一传输行为印证了Pasaogullari和Wang[4]的预测；除了这一行为，突破传输也被观察到，特别是在高电流密度工作条件下，这种突破是主要传输方式，Lister等[5]也肯定了这种传输方式。

随后，Hartnig等[16]研究了低温PEMFC气体扩散层中最初水簇的形成过程和液态水从催化层经气体扩散层进入流场沟道的传输过程，量化了电池各个组成部分中液态水含量：在疏水的MPL中没有观察到液态水；气体扩散层中液态水含量取决于电流密度。电流密度低于250 mA/cm2时，几乎观察不到液态水，水主要以气相存在，两相流不是影响电池性能的主要因素；电流密度升高到420 mA/cm2时，液态水主要出现在阴极气体扩散层中；电流密度继续升高到500 mA/cm2时，两极气体扩散层中均出现较多液态水。Deevanhxay等[17]继续研究了电流密度对气体扩散层中液态水分布的影响，在低电流密度(0.2 A/cm2)时，液态水只在流场肋部下方气体扩散层中出现并扩散到沟道下方气体扩散层中；在高电流密度(0.45 A/cm2)时，在两者下方气体扩散层均观察到液态水。

为了直观地观察PEMFC中液态水的传输过程，Sasabe等[18]开发了一种软X射线成像技术，提高了空间分辨率，实现了实时成像。Sasabe和Deevanhxay等[19]利用软X射线成像技术研究了气体扩散层微观结构对液态水分布的影响，比较了碳纸和碳布两种不同的气体扩散层，发现液态水分布完全不同。在高电流密度(0.8 A/cm2)时，碳纸气体扩散层中液态水含量很高；而碳布气体扩散层中只在大孔中有液态水，氧气则可以通过纤维束中的小孔扩散，不会阻碍氧气传输，不会影响反应的进行。在高电流密度(0.8 A/cm2)时，碳布气体扩散层的电池性能优于碳纸气体扩散层的电池。

3 结束语

掌握PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究的现状和发展趋势对优化水管理和质量传输，进而指导燃料电池的设计有重要意义。现有的研究成果表现在以下几个方面：

(1)针对气体扩散层中液态水的传输过程，学者们假想了两种传输机制，一种是倒置的毛细网络传输，另一种是指进和引导传输，该传输机制与实验观察结果更加相符；

(2)气体扩散层微观结构及微孔层对液态水传输的影响研究，碳纸和碳布的微观结构不同，导致电池在高电流密度运行时，两种气体扩散层中液态水分布完全不同，使用碳布作为气体扩散层的电池性能更好，微孔层限制了气体扩散层中液态水的含量，降低了气体扩散层中液态水饱和度，双层气体扩散层的电池性能好于单层气体扩散层的电池；

(3)电流密度对气体扩散层中液态水分布的影响研究，电流密度较低时，气体扩散层中没有液态水，随着电流密度的升高，液态水首先在阴极气体扩散层出现，然后在阳极气体扩散层出现；

(4)反应气体相对湿度对气体扩散层中液态水分布的影响研究，在高电流密度下，阴极反应气体相对湿度低于100%时，液态水在阴极流场板肋部下方气体扩散层中聚集，当相对湿度高于100%时，液态水在阴极流场沟道中聚集；

(5)流场沟道壁亲水性与憎水性对气体扩散层中液态水传输的影响研究，在高电流密度下，亲水性沟道壁有助于气体扩散层中液态水的传输，而憎水性沟道壁不利于气体扩散层中液态水的传输；

(6)流场沟道类型对气体扩散层中液态水传输的影响研究，就叉指形沟道和蛇形沟道而言，叉指形沟道气体扩散层中液态水饱和度更低，电池性能更好。

[1]吴玉厚，陈士忠.质子交换膜燃料电池的水管理研究[M].北京：科学出版社，2011.

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Review of liquid water transport experiments in gas diffusion layer of PEMFC

JIA Qiu-hong,CHANG Ying-jie,LI Chao,ZHANG Wei,XIAO Yan
(School of Mechanical Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Liquid water in diffusion layer of PEMFC has a significant impact on the operation and performance of the cell.In order to improve the cell performance,it is necessary to conduct research to liquid water transport in the gas diffusion layer detailedly.The composition and working principle of PEMFC were described.Especially,the results of experimental researches (transporting mechanism and influencing factors)of liquid water transport in gas diffusion layer of PEMFC were reviewed.And the results of research for scholars were summarized.

PEMFC;gas diffusion layer;liquid water transport;experimental research

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)10-1509-04

2017-03-03

重庆市科委自然科学基金计划项目(CSTC,2010-BB4302)；重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ110810)

贾秋红(1974—)，男，山西省人，副教授，主要研究方向为燃料电池系统设计，机械设计与理论。