基于格子Boltzmann方法的燃料電池多相傳輸現(xiàn)象研究.pdf

1、燃料電池是直接將化學能轉化為電能的能源動力裝置，具有效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，被認為是極具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗目沙掷m(xù)利用清潔能源裝置。以質子交換膜燃料電池為代表的燃料電池技術表現(xiàn)出巨大的商業(yè)應用價值，吸引了眾多研究人員的關注和興趣。從最新的研究情況看，雖然質子交換膜燃料電池技術正在趨于成熟，但仍有許多關鍵問題急需解決，成為制約其大規(guī)模商業(yè)化的重要因素。本論文著眼于質子交換膜燃料電池的水管理問題，針對目前實驗技術無法達到的區(qū)域，基于格子Bo

2、ltzmann數(shù)值計算方法，開發(fā)了一套可以實時動態(tài)分析和模擬質子交換膜燃料電池內部多相多組分流動的計算程序，系統(tǒng)分析了質子交換膜燃料電池中液態(tài)水的傳輸現(xiàn)象。具體研究內容包括以下幾個部分:
　　第一，充分認識液態(tài)水在氣體擴散層和微孔層內部的傳輸過程對質子交換膜燃料電池的水平衡管理，避免水淹引起的性能下降至關重要。本文通過數(shù)值重構GDL-MPL多孔介質模型，采用格子Boltzmann方法兩相流動模型研究了液態(tài)水在GDL-MPL模型中的

3、傳輸機理、微觀孔隙結構對水傳輸?shù)挠绊?，詳細分析了氣體擴散層內部水傳輸現(xiàn)象，微孔層存在對水管理的作用，以及氣體擴散層、微孔層以及兩者交界面中存在不同裂縫時對水傳輸?shù)挠绊?。研究結果表明:多孔介質內部水傳輸主要受毛細力控制;微孔層可以有效控制液態(tài)水回流，緩解水淹電極的情況;GDL-MPL模型內部存在裂縫對水飽和度有顯著影響。
　　第二，質子交換膜燃料電池電化學反應所產(chǎn)生的液態(tài)水經(jīng)毛細力作用通過多孔氣體擴散層后，最終會以液滴的形式出現(xiàn)在擴

4、散層表面。研究與氣體擴散層界面相關的氣液兩相傳輸現(xiàn)象是分析質子交換膜燃料電池內部反應物輸送和水管理的重要內容。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型，對氣體擴散層與氣道交界面上的氣液兩相傳輸問題進行了研究，詳細探討了不同孔隙間距、微通道氣體速度大小、不同孔隙直徑以及擴散層表面潤濕特性對液滴形成和動態(tài)特性的影響。研究結果表明:增大孔隙間距和氣體流速，采用疏水性表面可以減少液滴之間的相互作用，提高液態(tài)水排出效率。模擬結果為深入理解氣

5、體擴散層界面水傳遞機制提供了參考。
　　第三，液態(tài)水經(jīng)氣體擴散層表面脫落后進入氣體流道。針對液態(tài)水在氣道中的有效排出雖然已開展了大量的研究工作，但仍有許多問題有待深入理解，特別是水在流道內的具體傳遞過程。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型模擬了不同形狀氣體流道內水滴的傳遞現(xiàn)象。研究結果表明:對于直角型氣道，水滴最終都附著在氣道壁面上，很難從氣道內排出;而對于U-型氣道，水滴的傳輸特性有很大改善，氣體流道內的水滴較容易排

6、出，特別是當提高氣體流速以及表面接觸角時效果更明顯。
　　最后，由于質子交換膜燃料電池催化層內部傳輸特性復雜，目前對其孔隙尺度傳輸現(xiàn)象的研究報道較少。本文將二維多相多組分格子Boltzmann模型成功拓展到三維，參考催化層真實微觀結構，并對其進行了一定的簡化處理，數(shù)值重構了催化層三維多孔結構;采用三維格子Boltzmann多相多組分模型對催化層傳輸特性進行了初步模擬分析。研究結果表明:多孔介質微觀結構對催化層傳輸特性有顯著影響。<