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质子交换膜燃料电池阴极侧多孔扩散材料内两相传输特性

1.引言

1.1质子交换膜燃料电池概述

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效的能量转换装置，因其高能量密度、低排放和快速启动等特点，在新能源汽车、便携式电源以及固定式电站等领域展现出巨大的应用潜力。PEMFC利用氢气和氧气在电解质膜上的电化学反应直接将化学能转换为电能，具有极高的能量转换效率。

1.2阴极侧多孔扩散材料的重要性

在PEMFC中，阴极侧多孔扩散材料起着至关重要的作用。它不仅作为气体传输的通道，还直接影响氧气在电极反应的扩散速率和三相界面的形成，从而影响整个电池的性能。多孔扩散材料的性能直接关系到电池的功率密度、稳定性和寿命。

1.3研究目的与意义

本研究旨在深入探讨PEMFC阴极侧多孔扩散材料内两相传输特性，即气体和液态水的传输过程。通过对两相传输特性的深入研究，揭示影响传输性能的关键因素，为优化扩散材料设计提供理论依据，进而提升PEMFC的整体性能，对于推动燃料电池技术的发展具有重要的理论和实际意义。

质子交换膜燃料电池阴极侧多孔扩散材料的基本特性

2.1多孔扩散材料的结构特点

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极侧多孔扩散材料，是连接气体扩散层与催化层的桥梁，其结构特点对电池的性能具有重大影响。这类材料通常具有高孔隙率、适当的孔径分布以及良好的连通性。高孔隙率能够提供较大的气体接触面积，有利于气体的扩散；适当的孔径分布既能保证足够的气体传输通道，又能有效地存储反应气体；良好的连通性则有助于提高反应气体在多孔结构中的传输效率。

2.2多孔扩散材料的物理化学性质

多孔扩散材料的物理化学性质包括其导电性、机械强度、化学稳定性和热稳定性等。导电性直接关系到电池内电阻的大小，良好的导电性能够降低电池的内阻，提高能量转化效率。机械强度则影响着材料在电池运行过程中的稳定性和耐久性。化学稳定性保证了在强酸性环境下材料不会发生腐蚀或结构变化。同时，热稳定性也是必不可少的，因为在电池工作过程中会产生热量，热稳定性差的材料可能会因温度变化而发生形变。

2.3多孔扩散材料的传质性能

多孔扩散材料的传质性能是指气体分子在多孔结构中的扩散能力，这一性能决定了气体在电池中的传输速率和效率。影响传质性能的因素包括孔隙率、孔径大小、孔道形状以及材料的表面性质等。孔隙率越高，气体分子可利用的通道越多，传质性能越好。孔径大小和孔道形状影响气体分子的扩散路径和扩散阻力。材料的表面性质，如表面能、亲疏水性等，也会对气体分子的吸附和解吸行为产生影响，进而影响传质性能。

以上就是关于质子交换膜燃料电池阴极侧多孔扩散材料基本特性的探讨，这些特性对于电池的性能起着决定性作用，因此在材料的选择和设计中必须给予充分考虑。

3.两相传输特性分析

3.1两相传输理论

在质子交换膜燃料电池中，两相传输是指氢气（气相）和质子（液相）在阴极侧多孔扩散材料中的传递过程。两相传输理论基于多孔介质传输原理，主要包括质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本方程。

质量守恒方程描述了气体在多孔介质中的流动过程，可以表示为：

?

动量守恒方程描述了气体在多孔介质中的压力分布和流速，可以表示为：

ρ

能量守恒方程描述了气体的温度分布，可以表示为：

ρ

其中，ρ表示气体密度，v表示气体流速，p表示气体压力，μ表示气体动力粘度，g表示重力加速度，c表示气体比热容，T表示气体温度，k表示气体导热系数，Q表示气体与固体之间的热交换。

3.2阴极侧多孔扩散材料内两相传输过程

在阴极侧多孔扩散材料内，两相传输过程主要包括以下步骤：

氢气通过多孔扩散层到达阴极催化层；

在阴极催化层中，氢气与质子交换膜上的质子结合生成水；

质子在质子交换膜中传递到阳极侧；

水在阳极侧生成氢气和电子，电子通过外部电路传递到阴极侧；

水和生成的氢气在多孔扩散层中传输，完成整个循环。

3.3影响两相传输特性的因素

影响两相传输特性的因素主要包括：

多孔扩散材料的结构参数，如孔隙率、孔径和曲折度；

多孔扩散材料的物理化学性质，如亲水性和疏水性；

环境条件，如温度、湿度和压力；

电流密度，电流密度越大，两相传输过程中的液相含量越高；

电极材料，不同的电极材料具有不同的催化活性和传质性能。

分析这些因素对两相传输特性的影响，有助于优化质子交换膜燃料电池的性能。

4.阴极侧多孔扩散材料内两相传输特性的实验研究

4.1实验方法与设备

本研究采用了多种实验方法来探究质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极侧多孔扩散材料内两相传输特性。实验设备主要包括燃料电池测试系统、气体供应系统、电子负载、数据采集系统等。

实验中选用的多孔扩散材料为碳纸，其具有较好的化学稳定性和机械强度。碳纸的孔隙率、孔径等结构参数通过压汞法和气体吸附法进行测定。传输特