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气体扩散层(gas diffusion layer, GDL)中的气液两相流对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)的水管理起着至关重要的作用。实际过程中，燃料电池需要一定的组装压力实现气体的密封以及相关部件的紧密接触，气体扩散层在组装压力作用下会发生结构变形，对其内部两相流动和燃料电池性能产生重要的影响。
本文采用随机模型重建了未压缩的GDL微观多孔结构，随后利用有限元方法(finite element method, FEM)模拟了GDL装载过程，从而生成压缩条件下的GDL微观结构。通过研究装配压力对GDL结构变形的影响，发现装配压力会导致GDL沿厚度方向呈现不均匀变形；采用了流体体积(volume of fluid, VOF)模型研究了压缩GDL中的气液两相流。主要研究了压缩量、材料参数以及表面润湿性对GDL中气液两相流的影响。研究考虑了流道-脊交界角落处的液滴和GDL底部进水两种初始液态水形式。
研究结果表明，当毛细压力高于4kPa时，GDL内水饱和度随压缩比的增加而降低；但是当毛细压力低于3kPa时，压缩对水饱和度的影响却很小。基于上述结果，本文定义了压缩GDL内存在的三个区域，即弱变形区域(weak deformation region, WDR)、中度变形区域(moderate deformation region, MDR)和强变形区域(strong deformation region, SDR)。压缩对水饱和度的影响在这三个区域中并不相同；压缩增加了水突破GDL需要的进水压力，但对水突破GDL选择的优先途径影响较小；通过绘制7个GDL样本的毛细压力曲线，本文获得了未压缩和压缩的GDL微观结构中水饱和度与毛细压力之间的定量关系式。此外，本文发现GDL中的气液两相流受压缩量、纤维直径、孔隙率和GDL厚度的影响很大。通常来说，较大的纤维直径或较高的孔隙率的GDL内部因较大的平均孔径均有助于GDL内水的传输；厚的GDL的排水性能较差，但是在相同压缩比条件下，厚的GDL的下部区域中的水传输过程更加容易。
最后，本文发现GDL表面润湿性梯度的方向对GDL内气液两相流动的影响较大，特别是对于压缩的GDL；聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)浸入GDL深度越深越有助于液态水从GDL中排出。基于上述研究成果，本文首次提出了新型的GDL表面润湿性处理方案，并且该方案也被证实可作为未来定向控制GDL内水传输过程的重要参考。
本文采用随机模型重建了未压缩的GDL微观多孔结构，随后利用有限元方法(finite element method, FEM)模拟了GDL装载过程，从而生成压缩条件下的GDL微观结构。通过研究装配压力对GDL结构变形的影响，发现装配压力会导致GDL沿厚度方向呈现不均匀变形；采用了流体体积(volume of fluid, VOF)模型研究了压缩GDL中的气液两相流。主要研究了压缩量、材料参数以及表面润湿性对GDL中气液两相流的影响。研究考虑了流道-脊交界角落处的液滴和GDL底部进水两种初始液态水形式。
研究结果表明，当毛细压力高于4kPa时，GDL内水饱和度随压缩比的增加而降低；但是当毛细压力低于3kPa时，压缩对水饱和度的影响却很小。基于上述结果，本文定义了压缩GDL内存在的三个区域，即弱变形区域(weak deformation region, WDR)、中度变形区域(moderate deformation region, MDR)和强变形区域(strong deformation region, SDR)。压缩对水饱和度的影响在这三个区域中并不相同；压缩增加了水突破GDL需要的进水压力，但对水突破GDL选择的优先途径影响较小；通过绘制7个GDL样本的毛细压力曲线，本文获得了未压缩和压缩的GDL微观结构中水饱和度与毛细压力之间的定量关系式。此外，本文发现GDL中的气液两相流受压缩量、纤维直径、孔隙率和GDL厚度的影响很大。通常来说，较大的纤维直径或较高的孔隙率的GDL内部因较大的平均孔径均有助于GDL内水的传输；厚的GDL的排水性能较差，但是在相同压缩比条件下，厚的GDL的下部区域中的水传输过程更加容易。
最后，本文发现GDL表面润湿性梯度的方向对GDL内气液两相流动的影响较大，特别是对于压缩的GDL；聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)浸入GDL深度越深越有助于液态水从GDL中排出。基于上述研究成果，本文首次提出了新型的GDL表面润湿性处理方案，并且该方案也被证实可作为未来定向控制GDL内水传输过程的重要参考。