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随着社会的进步和交通运输业的飞速发展,能源的短缺及空气污染等问题日益严重,寻求一种高效、清洁、可靠的新型绿色能源成为研究的热点。相比于传统化石能源剧烈的燃烧过程,质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)能够在高效的催化剂下进行平稳的化学反应将化学能直接转化为电能,具有较高的能源转换效率、清洁无污染、可靠性高以及快速启动等优势。然而水管理问题仍限制着PEMFC的进一步大规模商业化推广,其中,气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)作为PEMFC中负责催化层及流道之间的反应气体和液态水的扩散和传输的关键的多孔部件,了解其孔隙空间结构对GDL内两相传输性能的影响有利于优化水管理,提高电池的性能和寿命。近年来,基于侵入逾渗算法的孔隙网络模型正受到越来越多的关注,并成功应用于PEMFC中多孔材料中的两相流动规律的研究。本文主要通过孔隙网络模型(pore network model,PNM)从孔隙尺度的水平上研究的气体扩散层基质层(gas diffusion backing layer,GDBL)和微孔层(micro-porous layer,MPL)的孔隙空间结构对其液态水传递和反应气体扩散的影响。主要的研究内容如下:1.利用计算机随机算法重构具有不同结构的GDL的纤维堆叠模型,并采用两步搜索算法提取GDL模型中的空间孔隙信息构建拓扑空间等价孔隙网络(topologically equivalent pore network,TEPN)模型,并基于该模型进行两相流模拟。2.运用上述构建的TEPN模型研究纤维半径、纤维密集度和纤维堆叠层数对单层GDL的孔隙空间结构及其传质性能的影响,并对TEPN中的孔隙信息、流体传输链路信息和液态水准静态侵入路径过程中被液态水阻断的配位数的积分进行分析,从孔隙尺寸的角度探索研究单层碳纸中纤维制备参数—孔隙空间结构—两相传质性能的内在联系。3.采用规则孔隙网络模型研究孔隙率梯度对带有MPL的双层GDL的两相传质性能的影响。分别研究了MPL孔隙率梯度值(MPL底子层和顶子层的孔隙率比分别为0.38:0.38(无梯度)、0.375:0.385、0.37:0.39、0.36:0.4、0.34:0.42和0.32:0.4)、孔隙率梯度化MPL的厚度(30μm、50μm、70μm和90μm)及梯度化MPL中子层数量(单层、双层、三层和四层)对GDL(MPL+GDBL)整体的两相传质能力的影响。最后,分析了MPL存在裂缝的情况下孔隙率梯度的影响。