华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与湖南理工学院机械工程学院万忠民教授合作开展了质子交换膜燃料电池气体扩散层厚度优化设计的研究。研究成果发表在爱思唯尔期刊Energy Conversion and Management，论文标题为“Optimization of gas diffusion layer thickness for proton exchange membrane fuel cells under steady-state and load-varying conditions”，其中论文第一作者为祝开麒同学，第二作者为丁权同学，第三作者为徐江海同学，第四作者为杨燕茹老师，万忠民教授、王晓东教授共同作为通讯作者。

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池中重要部件之一，其几何结构的优化设计一直以来都备受关注，气体扩散层厚度的选择对于燃料电池性能、耐久性及稳定性至关重要。传统气体扩散层厚度的优化设计都在稳态运行条件下进行研究。在燃料电池实际运行过程中，不可避免的需要频繁的启、停，增速、减速，因此，燃料电池也经常处于变负载运行条件下，然而，在此条件下，传统的气体扩散层厚度优化准则是否依旧适用？稳态运行条件下，气体扩散层厚度对多孔电极内氧气传输阻力有何影响？其对多孔电极内氧气分布均匀性有何影响？变负载运行条件下，气体扩散层厚度对燃料电池动态性能有何影响？燃料电池多孔电极内氧气及液态水动态变化特征如何？以上问题仍尚不清楚，因此需要开展相关研究。

【论文概述】

采用数值模拟方法研究了不同气体扩散层厚度对质子交换膜燃料电池稳态性能及变负载性能的影响，同时揭示了变负载运行条件下质子交换膜燃料电池内气水动态传输规律及电压突变特征，提出质子交换膜燃料电池阴极气体扩散层厚度优化准则。数值研究结果表明，在稳态条件下，降低阴极气体扩散层厚度导致氧气和液态水分布不均匀，过于增加阴极气体扩散层厚度则会增加氧气传输阻力。因此，存在一个最优厚度，在此厚度下（200 μm），可获得最佳的稳态性能。当燃料电池负载电压突然下降时，较薄的阴极气体扩散层会削弱过冲并缩短电流密度的恢复时间。当负载电压突然增加时，较薄的阴极气体扩散层会加强下冲但会缩短电流密度的恢复时间。因此阴极气体扩散层厚度的最佳选择需权衡稳态和瞬态性能。本研究总结出阴极气体扩散层最佳厚度选取准则：首先，找到最佳的阴极气体扩散层厚度，以便在稳态条件下获得更好的电池性能，然后适当减小厚度以抑制负载变化条件下的过冲或下冲。

图1. 稳态运行条件下不同阴极气体扩散层厚度燃料电池极化曲线

图2. 变负载运行条件下阴极气体扩散层厚度对燃料电池瞬时性能的影响

论文得到了国家自然科学基金重点项目（52090062）、国家自然科学基金（51976055）和湖南省科技创新项目（2020RC4040）以及湖南省重点研发计划（2021GK2017）的支持。