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Fundamental Research┃通过气体扩散层疏水梯度降低质子交换膜燃料电池的水淹风险 精选
2024-4-9 14:05
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理的新策略已经成型,研究人员根据气体扩散层(GDM)物理参数之间的耦合性关系,设计PEMFC阴极GDM疏水性梯度,以提高PEMFC的传质能力,降低燃料电池的水淹风险。

燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicles, FCVs)通常由质子交换膜燃料电池提供动力,这种燃料电池将氢和氧的化学能转化为电能并在阴极产生水。在质子交换膜燃料电池中,水和反应气体都通过气体扩散层(GDM)传输,气体扩散层是一种由微孔层(MPL)和扩散层(GDL)组成的多孔介质。当气体扩散层中存在过多的水时,将导致电池水淹,阻碍质子交换膜燃料电池中的物质传输,降低质子交换膜燃料电池的输出性能和使用寿命。

研究人员概述了一种气体扩散层的设计——GDM疏水性梯度。具体来说,通过疏水性梯度加快GDM中的水传输和提高反应气体的传输来降低水淹风险。

“材料的润湿性通过接触角来体现,接触角是液体界面与固体表面间的夹角,”该研究的主要作者,湖南大学机械与运载工程学院新能源动力系统设计方向的杨钦文副教授解释道“高接触角表示疏水性(拒水),而低接触角表示亲水性(吸水)。不同的接触角形成疏水性梯度并通过改变GDM中水传输行为,提高GDM的传质能力。”

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GDM疏水梯度对质子交换膜燃料电池中水传输的影响

值得注意的是,聚四氟乙烯(PTFE)被广泛用于处理GDM以形成不同的疏水性。然而,PTFE处理会降低GDM孔隙率,孔隙率的降低会导致PEMFC性能下降。

为此,在模拟和优化阶段,研究团队结合实验数据和经验公式,建立PTFE含量、疏水性和孔隙率之间的耦合性关系。随后,研究人员在GDM参数间的耦合性关系下研究了疏水性梯度对传质过程的影响。

“我们发现当MPL的疏水性高于GDL时,会加快GDM中水传输,并减少MPL和GDL界面上水的积累情况,这也增强了GDM的氧气传输能力。”杨钦文说道。

GDM疏水梯度设计为水管理提供了新的策略。

“根据FCV的运行条件设计不同的GDM疏水梯度可以进一步提高PEMFC的输出性能和使用寿命,这在一定程度上可以促进燃料电池汽车的商业化进程。”杨钦文补充道。

展望未来,该团队打算继续进行相关研究,以提高质子交换膜燃料电池系统的水管理能力。

文章信息

文章标题

Hydrophobicity gradient optimization of fuel cell gas diffusion media for its application in vehicles

研究团队

Qinwen Yang, Zhen Zhang, Gang Xiao, Deyi Xue

https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.01.007

期刊及主编信息

Fundamental Research是由国家自然科学基金委员会主管、主办的英文国际期刊,期刊 自2021年1月创刊以来,坚持依靠专家、精选主题、突出质量、对标一流的办刊理念,在各位编委和专家的倾力支持下,尽管刚刚起步但已经得到科技界和出版界的认可。

Fundamental Research 立足展示国家自然科学基金资助的代表性成果,充分反映国内外基础研究前沿与动态,提升中国基础研究和中国科学家在国际科学界的显示度和影响力,为中外科学家打造一个高水平的基础研究国际交流学术平台。

期刊内容涵盖数学与物理、化学与化工、生命、地球、工程与材料、信息、管理、健康与医学、交叉科学等九大科学领域,包括:

  • Mathematics and Physics

  • Chemistry and Chemical Engineering

  • Life Sciences

  • Earth Sciences

  • Engineering and Materials Science

  • Information Sciences

  • Management Sciences

  • Health and Medical Sciences

  • Interdisciplinary Sciences

目前期刊已被DOAJ、Scopus、ESCI等权威数据库收录。

主编:龚旗煌 院士

研究领域:

光学专家、长期从事非线性光学前沿与时空小尺度光学研究

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