質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種清潔高效的能源轉(zhuǎn)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)。液態(tài)水在PEMFC流道內(nèi)的高效傳輸和去除是PEMFC水管理的一個(gè)重要方面。研究和分析PEMFC陰極流道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)問(wèn)題，特別是液態(tài)水在流道內(nèi)的傳輸和去除過(guò)程，一方面有助于深入認(rèn)識(shí)液態(tài)水在微觀流道內(nèi)的傳輸特點(diǎn)和去除機(jī)理，另一方面可以指導(dǎo)PEMFC流道的設(shè)計(jì)，進(jìn)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(nèi)的兩相流動(dòng)問(wèn)題為研究對(duì)象，在一個(gè)現(xiàn)有靜態(tài)潤(rùn)濕模型（只包含一個(gè)靜態(tài)接觸角（Static Contact Angle）的作用）的基礎(chǔ)上，建立了PEMFC流道內(nèi)空氣-水兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕模型（包含滑動(dòng)角（Sliding Angle）和動(dòng)態(tài)接觸角（Dynamic Contact Angle）的作用），并在此模型基礎(chǔ)上，開(kāi)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(nèi)兩相流的動(dòng)

3、態(tài)潤(rùn)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(dòng)態(tài)接觸角分布，推導(dǎo)出了滑動(dòng)角和動(dòng)態(tài)接觸角這兩個(gè)表征固體表面動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性的參數(shù)之間的理論關(guān)系式，明確了兩者之間的相互作用關(guān)系。其次，采用合適的數(shù)值方法，將由此關(guān)系式確定的滑動(dòng)角和動(dòng)態(tài)接觸角的作用應(yīng)用到一個(gè)數(shù)值模型中，建立了PEMFC流道內(nèi)兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕模型。采用此動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕模型，研究了動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性對(duì)水滴在PEMFC流道中傳輸過(guò)程的影響。研究表明，在相同靜態(tài)接觸角下，滑動(dòng)角越小，動(dòng)

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(kuò)散層（GDL）表面的運(yùn)動(dòng)速度越大。因而，小的GDL表面滑動(dòng)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(duì)其傳輸過(guò)程的影響。詳細(xì)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(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)了水滴在流道寬度方向做周期性擺動(dòng)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(dòng)

5、的幅度會(huì)變大。當(dāng)水滴的滲透位置偏離GDL表面中心一定距離后，水滴會(huì)接觸到流道表面。此時(shí)，當(dāng)流道表面接觸角較小時(shí)，水滴會(huì)由于流道表面毛細(xì)力的作用脫離GDL表面，最終運(yùn)動(dòng)到由流道側(cè)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(duì)液態(tài)水從GDL表面的去除有重要作用。
　　3.設(shè)計(jì)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(guò)程，特別是從GDL表面的去除過(guò)程。研究發(fā)