基于纤维面内取向分布的气体扩散层重构与传输性能分析

提出一种重构燃料电池气体扩散层(GDL)微观结构的新方法，用于研究纤维面内取向分布对GDL传输性能的影响。利用XCT扫描获取GDL二维切片图进行阈值分割得到GDL三维模型，通过纤维追踪技术区分纤维与粘接剂，得出纤维面内取向概率分布、纤维骨架局部孔隙率、纤维与粘接剂组分比例等信息作为控制因素，重构更加准确的GDL纤维骨架，并通过形态学处理添加粘接剂得到GDL孔尺度模型。对1 000 μm×1 000 μm×200 μm的GDL计算域进行性能模拟计算，分析不同纤维取向分布对GDL的气体传输、热电传导性能的影响。由于碳纸在制造中大部分纤维顺着造纸机运行方向(纵向)排列，不同排列方式严重影响GDL在纵向、横向和穿面方向(TP方向)的性能。研究结果表明：随着纤维纵向分布集中程度提高，气体传输与热电传导性能在纵向提高，但在横向降低；对于TP方向，本研究中的纤维集中于纵向的一致性系数为0.029的取向分布时，GDL模型性能较优；电导率及热导率对纤维取向分布比气体扩散率更敏感。