質子交換膜燃料電池流道內兩相流動的數(shù)值模擬研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種清潔高效的能源轉換裝置。PEMFC的水管理是影響其工作性能、穩(wěn)定性和可靠性的一個關鍵技術。液態(tài)水在PEMFC流道內的高效傳輸和去除是PEMFC水管理的一個重要方面。研究和分析PEMFC陰極流道內的氣液兩相流動問題，特別是液態(tài)水在流道內的傳輸和去除過程，一方面有助于深入認識液態(tài)水在微觀流道內的傳輸特點和去除機理，另一方面可以指導PEMFC流道的設計，進而改善PEMFC的水管理和提高PEMFC的工作性能

2、。
　　本文以PEMFC流道內的兩相流動問題為研究對象，在一個現(xiàn)有靜態(tài)潤濕模型（只包含一個靜態(tài)接觸角（Static Contact Angle）的作用）的基礎上，建立了PEMFC流道內空氣-水兩相流動的動態(tài)潤濕模型（包含滑動角（Sliding Angle）和動態(tài)接觸角（Dynamic Contact Angle）的作用），并在此模型基礎上，開展了一系列的研究工作。本文的主要研究工作包括：
　　1. PEMFC流道內兩相流的動

3、態(tài)潤濕模型的建立和模擬。首先，采用橢圓形液固接觸面形狀和線性動態(tài)接觸角分布，推導出了滑動角和動態(tài)接觸角這兩個表征固體表面動態(tài)潤濕性的參數(shù)之間的理論關系式，明確了兩者之間的相互作用關系。其次，采用合適的數(shù)值方法，將由此關系式確定的滑動角和動態(tài)接觸角的作用應用到一個數(shù)值模型中，建立了PEMFC流道內兩相流動的動態(tài)潤濕模型。采用此動態(tài)潤濕模型，研究了動態(tài)潤濕性對水滴在PEMFC流道中傳輸過程的影響。研究表明，在相同靜態(tài)接觸角下，滑動角越小，動

4、態(tài)接觸角的變化范圍或接觸角差異（Contact Angle Hysteresis）越小，水滴的高度越大，水滴在氣體擴散層（GDL）表面的運動速度越大。因而，小的GDL表面滑動角有利于水滴在PEMFC流道中的傳輸和去除。
　　2.水滴在GDL表面的滲透位置對其傳輸過程的影響。詳細研究了水滴在GDL表面沿流道寬度方向不同位置處的傳輸過程。研究發(fā)現(xiàn)了水滴在流道寬度方向做周期性擺動的現(xiàn)象，并且，隨著水滴偏離GDL表面中心的距離變大，其擺動

5、的幅度會變大。當水滴的滲透位置偏離GDL表面中心一定距離后，水滴會接觸到流道表面。此時，當流道表面接觸角較小時，水滴會由于流道表面毛細力的作用脫離GDL表面，最終運動到由流道側面和流道底面形成的流道角落處。這表明流道表面接觸角對液態(tài)水從GDL表面的去除有重要作用。
　　3.設計了兩種加快GDL表面除水的新型流道，分別為帶有親水針的流道和帶有親水薄板的流道。研究了水滴在這兩種新型流道中的傳輸過程，特別是從GDL表面的去除過程。研究發(fā)