In this study, the microscopic transport properties of porous gas diffusion media (PGDMs) with capillary meniscus formation are evaluated using a statistical approach for electrochemical applications. The microscopic morphology of PGDM is stochastically modeled using randomly distributed carbon fibers and various meniscus formations. In particular, the meniscus formation of hydrophobic polytetrafluorethylene (PTFE) agent enables the generation of highly elaborate microstructures in commercial PGDMs. A single-phase three-dimensional 19-velocity lattice Boltzmann method is applied to simulate the microscale mass transfer phenomena within the PGDMs. The mass transport characteristics (i.e., anisotropic permeability, tortuosity, and effective diffusion coefficient) of the PGDM samples with different PTFE content are statistically investigated as a function of untreated porosity (i.e., porosity before PTFE loading) of the PGDMs. The predicted results reveal an inverse relationship between anisotropic permeability and PTFE loading because the addition of PTFE decreases the bulk porosity of the PGDMs. In addition, the electrical and thermal conductivities of PGDMs are statistically estimated in both the in-plane and through-plane directions. The results show that the in-plane electrical and thermal conductivities are greater than those in the through-plane direction because of the carbon-fiber orientation. Moreover, the addition of PTFE has relatively larger effects on the through-plane electrical and thermal conductivities.

Graphic abstract

中文翻译：

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聚四氟乙烯弯月面形成的形态学效应对电化学应用的不均匀随机多孔气体扩散介质的微观输运性质的影响

在这项研究中，使用统计方法对电化学应用评估了具有毛细管弯液面的多孔气体扩散介质（PGDM）的微观传输性能。PGD​​M的微观形态是使用随机分布的碳纤维和各种弯月面形状随机建模的。特别是，疏水性聚四氟乙烯（PTFE）剂的弯月面形成使得能够在商用PGDM中生成高度精细的微结构。应用单相三维19速度格Boltzmann方法来模拟PGDM内部的微尺度传质现象。传质特性（即各向异性渗透率，曲折度，统计地研究了具有不同PTFE含量的PGDM样品的有效孔隙率和有效扩散系数），作为PGDM的未处理孔隙率（即PTFE加载前的孔隙率）的函数。预测的结果揭示了各向异性渗透率与PTFE负载之间的反比关系，因为添加PTFE会降低PGDM的整体孔隙率。另外，在平面内和贯穿平面方向上，统计地估计了PGDM的电导率和热导率。结果表明，由于碳纤维的取向，面内的电导率和导热率大于面内的电导率。而且，PTFE的添加对贯穿平面的电导率和热导率具有相对较大的影响。PGD​​M的PTFE填充之前的孔隙率）。预测的结果揭示了各向异性渗透率与PTFE负载之间的反比关系，因为添加PTFE会降低PGDM的整体孔隙率。另外，在平面内和贯穿平面方向上，统计地估计了PGDM的电导率和热导率。结果表明，由于碳纤维的取向，面内的电导率和导热率大于面内的电导率。而且，PTFE的添加对贯穿平面的电导率和热导率具有相对较大的影响。PGD​​M的PTFE填充之前的孔隙率）。预测的结果揭示了各向异性渗透率与PTFE负载之间的反比关系，因为添加PTFE会降低PGDM的整体孔隙率。另外，在平面内和贯穿平面方向上，统计地估计了PGDM的电导率和热导率。结果表明，由于碳纤维的取向，面内的电导率和导热率大于面内的电导率。而且，PTFE的添加对贯穿平面的电导率和热导率具有相对较大的影响。另外，在平面内和贯穿平面方向上，统计地估计了PGDM的电导率和热导率。结果表明，由于碳纤维的取向，面内的电导率和导热率大于面内的电导率。而且，PTFE的添加对贯穿平面的电导率和热导率具有相对较大的影响。另外，在平面内和贯穿平面方向上，统计地估计了PGDM的电导率和热导率。结果表明，由于碳纤维的取向，面内的电导率和导热率大于面内的电导率。而且，PTFE的添加对贯穿平面的电导率和热导率具有相对较大的影响。

图形摘要