氣流流速對PEMFC流道水管理影響的數(shù)值模擬研究

胡弦

摘 要：水管理是影響質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）工作性能以及工作效率的關鍵技術。借助ANSYS建立一個以兩相流為基礎的流體體積函數(shù)（VOF）模型，通過計算水滴在不同入口速度下的流道里的運動狀態(tài)來研究氣流速度對于水管理的影響。結(jié)果表明，流速較低時，液滴容易在流道內(nèi)坍塌，易造成液態(tài)水累積，阻塞陰極多孔電極，降低電池的工作效率。隨著速度慢慢增大，液滴的形變會先減小，但是當風速過大時，液滴會逐漸破碎，破碎后的小液滴可能會滯留在流道內(nèi)，從而造成電池工作效率降低。

關鍵詞：PEMFC；水管理；VOF模型；氣流流速

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種能將氫氣與氧氣轉(zhuǎn)化成潔凈水和熱量并釋放出電能的裝置。PEMFC中的陰極流道存在比較復雜的水淹問題，需要從機理層面分析解決[1]。由于燃料電池流道尺寸小，液態(tài)水運動速度大，實驗對成像裝置的各方面分辨率的要求非常高，實驗條件較難滿足[2]。因此，大部分研究者都是采用模擬仿真的方法來研究水在PEMFC流道內(nèi)的傳輸過程。JU H等[3]提出了建立PEMFC陰極電極的兩相流模型。YOU L等[4]在此基礎上再次建立了陰極流道的兩相流模型。本研究采用流體體積函數(shù)（Volume of Fluid，VOF）方法建立了PEMFC流道內(nèi)空氣-水兩相流模型，基于此模型，結(jié)合氣流速度的變化，研究流道內(nèi)氣流速度對液態(tài)水在PEMFC流道中傳輸和去除過程的影響。

1 VOF模型的建立

1.1 幾何模型建立

本研究所建立的模型為PEMFC燃料電池的一段陰極直流道，如圖1所示，流道橫截面是一個尺寸為1 mm×1 mm的正方形，流道長度為20 mm，流道左側(cè)為inlet面，空氣從該側(cè)流入，從另一側(cè)outlet面流出，重力方向垂直水平面向下，流道下方為氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）面，兩側(cè)為流道側(cè)壁，上方為流道頂壁，流道的幾何區(qū)域和邊界一起構成了整個VOF模型的計算域。

1.2 數(shù)學方法

1.2.1 連續(xù)性方程

1.3 模擬工況

本模型的流道內(nèi)部是等溫的，且不發(fā)生相變，在流動過程中沒有能量的交換。

水滴引入位置為距離出口1 mm的GDL表面中心線處，流道內(nèi)速度分別選擇2、4、6、8 m/s這4種氣流速度，側(cè)壁接觸角為70°，GDL接觸角為140°。

2 模擬結(jié)果分析

氣體流速為2 m/s時水滴在流道內(nèi)的流動狀態(tài)如圖2所示，結(jié)合式（8）可知，在風速v=2 m/s時，We=17.72，韋伯數(shù)較大，說明氣體慣性力對流體運動的影響要遠大于表面張力和壁面粘附力對流體運動的影響，在流出流道之時液滴的形狀并沒有發(fā)生較大改變，但是由于風速較低，液滴運動速度較小，生成的液態(tài)水不斷積累，容易導致陰極多孔電極阻塞，燃料電池流道中的水過量可能會阻礙氧擴散，限制催化劑層的反應速率，大大降低電池性能，這種現(xiàn)象被稱為水淹。

氣流流速為4 m/s時水滴在流道內(nèi)的流動狀態(tài)如圖3所示，v=4 m/s時，We=4.43，液滴在運動過程中同樣除了有坍塌的現(xiàn)象外并無太大變形，但是整體運動速度會比v=2 m/s時要快一些，在0.037 s時液滴慢慢完整地滑出流道，在此期間無液滴的破裂，但是液滴慢慢坍塌，若流道較長可能會形成液滴的完全坍塌或者液滴的拖曳。

氣流流速v=6 m/s時流道內(nèi)液滴的流動狀態(tài)如圖4所示，當v=6 m/s時，根據(jù)式（8）可算出We減小到1.9，由于風速變大，液滴的坍塌程度要小一些，但是仍舊有變形，且液滴變形程度要比前兩種大一些，但根據(jù)We可知，在此過程中慣性力仍舊為其主要的影響因素，所以，最終也是以完整的液滴形式被吹出流道，時間在0.026 s左右。在實際的電池工作過程中，這樣的風速也更利于生成水的排出，排出速度較快，且不易產(chǎn)生較大的形變使液滴在管道內(nèi)破碎，造成生成水的積累。

氣流流速v=8 m/s時液滴在流道內(nèi)的流動狀態(tài)如圖5所示，此時We=0.7，液滴在0.014 s左右形變加大，進而破碎，這是由于We數(shù)較小，液滴在流道內(nèi)受到氣體慣性力影響較大，在氣體慣性力和擴散層GDL表面阻力的共同作用下，液滴開始破碎，在0.016 s左右以拖尾形狀吹出流道，破碎的小液滴會在流道內(nèi)積累，進而容易造成陰極多孔電極阻塞，導致陰極電極和流道的“水淹”，電池的工作效率急速下降。

3 結(jié)語

入口流速的大小會對生成水在流道內(nèi)的運動造成一定的影響，若流速較低，We數(shù)夠大，表面張力造成的影響很小，不易造成液滴破碎，但是生成水容易在流道內(nèi)坍塌，可能會造成水的生成速度和排出速度不匹配，導致生成水因排出速度過慢而滯留在流道中，從而造成液態(tài)水累積，阻塞陰極多孔電極，降低電池的工作效率。隨著入口速度慢慢加快，排出速度會加快，液體的形變會先減小，但是當風速過大時，由于We<1，氣體慣性力對液滴的影響增大，在和GDL壁面摩擦阻力的相互作用下，液滴會逐漸破碎，破碎后的小液滴可能會滯留在流道內(nèi)，同樣造成生成水在GDL面上的累積，導致陰極多孔電極阻塞，從而造成電池工作效率降低。

[參考文獻]

[1] 秦彥周.質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)兩相流動的數(shù)值模擬研究[D].天津：天津大學，2014.

[2] BAZYLAK A.Liquid water visualization in PEM fuel cells： a review[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009（34）：3845-3857.

[3] JU H，LUO G，WANG C Y.Probing liquid water saturation in diffusion media of polymer electrolyte fuel cells[J].Journal of Electrochemical Society，2007（154）：218.

[4] YOU L，LIU H.A two-phase flow and transport model for the cathode of PEM fuel cells[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2002（45）：277-287.

Numerical simulation study on the influence of airflow velocity on water management of PEMFC flow channel

Hu Xian

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract：Water management is a key technology to affect the working performance and efficiency of proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）. With the help of ANSYS， a two-phase flow based volume of fluid（VOF）model is established to study the effect of airflow velocity on water management by calculating the motion state of water droplets in different inlet velocities. The results show that the droplet collapses easily in the flow channel when the flow velocity is small， which can easily cause liquid water accumulation， block the cathode porous electrode and reduce the working efficiency of the battery. With the increase of the velocity， the deformation of the droplet will decrease first， but when the wind speed is too large， the droplet will gradually break. The broken droplets may remain in the flow channel， resulting in reduced battery efficiency.

Key words：proton exchange membrane fuel cell； water management； volume of fluid model； airflow velocity