由于其高效率和无排放运行特性，PEMFC被认为是汽车、固定式和便携式应用的可行能源解决方案[1]。然而，其大规模商业化仍受到成本、耐用性和高功率运行条件下的性能问题的限制[2,3]。其中一个关键技术瓶颈是阴极处的水管理，尤其是在高电流密度下[4]。
PEMFC阴极催化剂层（CL）中过量的液态水积聚会阻塞气体扩散路径，增加氧气传输阻力，并导致性能下降[5,6]。因此，高效的水去除至关重要，MEA结构优化已成为一种关键策略。然而，MEA内部界面之间的复杂相互作用——尤其是CCM–MPL和MPL–GDL的过渡区域——仍不够为人所理解[7]。这些界面区域的水传输主要受毛细力、润湿性差异和孔隙形态的控制[8]。在CCM–MPL界面，CL中产生的水通过亲水路径迁移；一旦达到饱和，毛细压力会将水推向GDL。GDL的疏水性使得液态水更倾向于进入较大的孔隙，形成不规则、曲折的簇，可能导致局部淹没[9]。这种在MPL–GDL界面的效应会严重干扰氧气的传递并限制电池性能。此外，这些界面因素都受到压力的影响[10]。
这些界面与MPL密切相关，因为MPL是通过将MPL插入形成的。许多研究探讨了MPL的结构特征（包括厚度、孔隙率和表面裂纹）如何影响PEMFC中的界面水传输[11,12]。Wang等人通过浆料混合制备了复合MPL[13]。George等人利用高分辨率3D微米级断层扫描成像技术确定了GDB和MPL中的裂纹深度以及MPL裂纹的宽度和长度[14]。根据Nam等人的研究[15]，优化的MPL在CL侧的孔径较小，从而促进了在CL界面形成的水滴的有效捕获。这些研究旨在确定各种MPL参数如何影响孔隙网络内的水分布和传输。GDB/MPL界面上的任何间隙都会增强水的横向扩散，阻碍氧气的传输[16]。MPL与相邻组件之间的微观结构和界面条件对系统的水-空气管理有重要影响[17]。
一侧界面的组装有两种MEA结构：气体扩散电极（GDE），是通过先将CL粘合到GDL上来形成的；另一种是CCM，是通过将CL涂覆在膜上来创建的[18]。GDE在制造过程中存在催化剂层脱落和颗粒迁移到GDL中的问题，降低了催化效率。相比之下，CCM提高了催化剂的利用率和耐用性，但在CCM-MPL接合处存在界面分层和高水饱和度的问题[19]。研究人员通过设计具有图案化MPL的CCM-MPL界面来优化燃料电池的水管理[20],[21],[22]。Wang等人开发了一种创新的图案化双MPL结构，显著提升了燃料电池的性能[23]。Wang等人在CCM-MPL界面设计了微槽，并系统研究了它们对PEMFC性能的影响[24]。Wang等人通过设计具有交替的亲水/疏水条纹的MPL来提升PEFC的冷启动性能[25]。然而，这些好处可能依赖于湿度：例如，微槽结构在低湿度下可以提高性能，但在高湿度环境下可能会加剧淹没现象。
MPL的另一侧是过渡层（TL），位于MPL和GDL之间。TL由MPL渗透到GDL基材中形成，在调节质量传输（特别是液态水管理）和整体燃料电池性能方面起着关键作用[26,27]。实验研究表明，较低的MPL渗透厚度比与渗透区更陡的毛细压力梯度相关，从而增强了电化学生成水的排放[28]。Lee等人比较了PEMFC中的MPL结构，发现片状MPL比涂层MPL具有更好的电化学性能，尽管GDL中的水积聚更多[29]。这种性能优势源于过渡区域氧气扩散阻力降低了10%。
压缩对界面结构和水传输的影响在现有学术文献中仍是一个相对未被充分探索的领域[30]。本研究通过电池电压监测和极化曲线测量，评估了机械压缩对225平方厘米PEMFC组件整体性能的影响。Khetabi等人[31]、Zhou等人[32,33]发现GDL中的两相流动受压缩、纤维直径、孔隙率、表面润湿性和GDL厚度的影响很大。Bao等人[34]使用有限元和格子玻尔兹曼方法（LBM）研究了压缩应力如何影响MPL/CL界面的液体和燃料供应效率。同时，Khetabi等人[10]指出，将机械压缩的影响与其他因素（例如电池设计以及反应物和冷却介质的进出口位置）区分开来是具有挑战性和必要的。
先进的实验技术，包括原位同步辐射X射线断层扫描和中子成像，为了解MEA内液态水的空间分布提供了宝贵见解。Lee等人[35]利用同步辐射X射线成像技术研究了PEMFC中的液态水可视化，旨在比较碳基底厚度对水管理的影响。Ince等人[36]使用离体实验点注入装置评估了压缩GDL材料中的水分分布。然而，在操作过程中捕捉微观尺度的动态水行为仍然具有挑战性。为此，LBM作为一种强大的数值工具，用于模拟介观两相传输。Ostadi等人进一步结合FIB/SEM成像和LBM模拟来计算MPL的曲折度和渗透性[37]。Satjaritanun等人使用3D LBM模型预测了有无MPL时液态水通过GDL的渗透情况，结果与实验数据一致[38]。
在现有研究中，已经探讨了燃料电池膜电极组件特定组件内的水-气体传输或在加压条件下的传输。然而，这些研究仅关注了GDL或MPL等单个组件的结构参数，或者研究了GDL变形对不同压力下水-气体传输的影响，而没有考虑界面处的压力效应。此外，大多数关于水传输的研究仅集中在突破行为上。在实验条件下，实现水-气体传输的原位研究非常困难，而且很难将这种行为与各种实验参数（例如电池设计和反应物及冷却介质的进出口位置）区分开来。因此，本研究系统地研究了受压力和界面参数共同影响的水-气体传输。通过排入流道中的液态水含量、氧气传输阻力和氧气浓度，全面评估了界面参数和压力的综合效应。论文的结构如下：首先，我们介绍了压力和界面模型，并验证了LBM的有效性。然后，我们研究了加压界面结构中的水和氧气传输。最后，我们考察了TL孔隙率和接触角的影响。本研究揭示了MEA压力和界面参数对水-气体传输的影响，从而为电极优化提供了可行的设计策略。一方面，它揭示了MEA中水传输的突破行为，并阐明了横向扩散和结构因素的作用。另一方面，明确结构-性能关系有助于推进深度学习的应用。这些策略直接解决了高电流密度下的浓度极化问题，为显著提升性能提供了明确的方向。
