随着全球对清洁和可持续能源系统需求的增长，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高能量转换效率、零污染物排放和低噪音运行而受到广泛关注，使其成为交通运输、固定电源和备用能源应用的有希望的候选者[1]、[2]、[3]、[4]。美国能源部（DoE）提出，到2027年，氢燃料电池系统用于备用电源和分布式能源应用的运行寿命应分别达到10,000小时和40,000小时[5]。然而，其商业化应用仍面临许多挑战，特别是在使用寿命和耐久性方面。在各种降解机制中，机械应力被认为是导致PEMFC材料劣化和结构完整性丧失的关键因素。这种应力可能来源于制造和组装过程中的预加载，也可能在启动/关闭循环、动态负载和非稳态运行等复杂条件下持续施加[6]、[7]、[8]。
在PEMFC的关键组件中，气体扩散层（GDL）通过促进反应气体传输、水分和热管理、电子传导以及为膜电极组件（MEA）提供机械支撑而发挥多功能作用[9]、[10]、[11]。GDL通常夹在催化剂层和双极板之间，为反应气体提供连续的扩散路径，有效去除产物水，并支持电子传导以最小化传输损失[12]、[13]、[14]、[15]。为了满足这些功能，GDL必须具有高气体渗透性、适当的电导率和热导率、坚固的机械强度、可控的疏水性以去除水分以及在运行条件下的长期耐久性[16]。商业GDL通常分为碳纸、碳布和毛毡型结构，通常由纤维基底和由炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）组成的微孔层（MPL）组成[17]。在循环压缩和应力加载过程中，GDL容易发生变形，导致孔隙率、渗透率和电导率等关键物理参数的变化[18]。这些变化显著影响质量传输效率和界面接触电阻，从而影响整体电池性能[19]、[20]、[21]。因此，阐明GDL在应力循环条件下的结构和功能演变，并通过微观结构表征分析其降解机制，对于提高燃料电池在复杂运行条件下的可靠性和耐久性具有重要意义。
在实际运行中，PEM燃料电池会受到各种动态环境条件的影响，如冻融（F/T）循环、热湿循环和机械振动。这些外部负载会产生耦合的热应力、湿度和机械应力，可能导致关键堆栈组件的损坏——尤其是GDL的结构完整性和功能性能的下降，最终降低整体电池效率[22]。在这些因素中，冻融循环会直接影响GDL的多孔结构。冰晶的形成和生长可能导致结构破裂、界面分层和疏水性能的恶化。Yan等人[23]在80°C至-15°C之间进行了F/T循环测试，观察到0°C以下膜-GDL分层，并伴有GDL的显著微观结构变化。Mukundan等人[24]使用中子成像发现，布型GDL比纸型GDL具有更好的抗冻损伤能力，而在-10°C、低电流密度（0.02 A cm−2）下观察到GDL内部有冰积聚。Oszcipok等人[25]进一步证明，反复的F/T循环改变了GDL的内部疏水-亲水平衡，促进了水分积累和结构退化。除了低温效应外，热湿循环和振动还会通过膜膨胀/收缩和外部激励引入反复的机械应力。循环湿度变化据报道会导致膜不可逆的伸长和应力传递到GDL[26]。Maher等人[27]开发了一个三维多相CFD模型，显示温度梯度导致非均匀应力分布，从而在膜-GDL界面产生局部弯曲应力，特别是在阴极侧。这些应力可能是稳态高负载条件下裂纹和针孔的主要成因。尽管PEM燃料电池没有移动的机械部件并且运行时噪音很小，但在实际应用中仍会受到道路和环境的振动影响。Diloyan等人[28]发现，5–40 Hz范围内的外部振动会在电池层之间产生剪切应力，可能导致针孔、裂纹和界面分层，加速老化。Rajalakshmi等人[29]对500 W堆栈在30–150 Hz范围内进行了振动测试。尽管扭矩从14 Nm降低到8 Nm，性能仍相对稳定。Banan等人[30]开发了一个数值模型来比较热湿循环和机械振动对损伤演变的影响。他们的结果表明，热湿循环更可能导致膜开裂，而振动则更容易导致分层。此外，共振振动可能会通过激发堆栈的自然频率引起高幅度响应，需要进一步研究其潜在的失效模式。这些研究共同强调了GDL在真实运行环境下对机械诱导降解的脆弱性。
与运行过程中遇到的复杂和耦合应力相比，组装压力是对GDL施加的最直接、集中和可控的机械负载。许多研究表明，组装压力通过改善界面接触和恶化质量传输之间的竞争强烈影响燃料电池性能[18]、[31]。当GDL被压缩到一定程度时，其孔隙率会降低；然而，纤维之间增强的接触有助于减少界面接触阻力。另一方面，过度压缩可能导致纤维断裂和材料开裂，损害GDL的结构完整性和功能效率[32]、[33]、[34]、[35]。Nitta等人[36]报告了GDL在室温下的体积热导率为1.18 ± 0.11 W m−1 K−1，并观察到随着压缩的增加，热接触阻力呈非线性下降。Jiang等人[37]确定了40个电池堆的最佳组装压力为1.33 MPa，而Xiong等人[38]基于耦合的机械-电化学建模预测最佳压力约为0.5 MPa。这些结果表明，组装压力对GDL结构和电池性能有重要影响，但最佳值取决于材料属性和加载条件。
除了静态压缩之外，循环机械加载也越来越受到关注。Mason等人[33]表明，随着循环次数和压缩水平的增加，GDL的不可逆变形持续加剧，同时欧姆电阻普遍降低。这归因于压缩过程中纤维断裂导致的接触改善或纤维侵入流场形成新的接触界面。Bouziane等人[39]使用传输线模型（TLM）测量了0–8 MPa循环压缩下各种碳纸GDL的界面接触阻力。结果显示，随着压缩的增加，阻力呈非线性下降，在2.5 MPa时下降了75%以上。Koorata[40]和Meng[41]开发的本构模型揭示了GDL在重复加载下的高度非线性、历史依赖的机械响应。Carral[42]报告称，GDL的循环压缩会导致不可逆的损伤，如碳纤维断裂和微观结构重排，损伤程度与最大循环压力正相关。他们进一步指出，制造过程中引起的预压缩应力是GDL初始损伤的主要来源。不同类型的GDL在初始损伤方面存在显著差异：卷型GDL在损伤后的尺寸稳定性最差，而片型和毛毡型GDL由于其结构特性表现出更好的损伤抵抗能力。然而，大多数现有研究主要关注机械或电响应，而将循环组装压力、微观结构损伤演变和电化学性能退化联系起来的系统研究仍然有限。
总之，对GDL在循环组装压力下的性能演变的全面理解仍然不足。本研究提出了一种受控的多循环应力加载方案，系统地研究了不同组装压力下GDL的弹性-塑性变形行为、微观结构演变和电化学性能退化。结合极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）和光学显微镜，建立了机械加载历史、结构损伤和电池性能之间的多尺度关联。目的是识别与塑性变形和损伤积累相关的关键压力阈值，从而为优化组装策略和提高PEM燃料电池的长期耐久性提供科学指导。
