PEMFC流道結構對電池水管理影響的研究

孫亞浩，朱瑞杰，陳小松，詹志剛,2

(1.武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430070；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070)

質子交換膜燃料電池(proton electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)是直接將化學能轉化為電能的一種裝置，可將氫氣作為燃料，空氣作為氧化劑，通過電化學反應在電池的陰極生成水。電池中水管理是影響電池電性能及耐久性的關鍵因素之一。良好的水管理可確保質子交換膜充分潤濕而維持高的離子電導率，同時避免電池產生局部“水淹”；否則，可能產生膜過干而使內阻增加，或發生“水淹”阻礙氣體傳輸，降低電性能，或發生“饑餓”導致反極而影響耐久性[1-2]。

PEMFC 陰極側流道中的主要產物為氣態或液態水，隨著操作條件的改變，空氣和液態水的混合物可能為塞子流、霧狀流或膜狀流[3]。電池正常工作時，液態水以小液滴形式不斷從氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)中滲出，小液滴不斷地積聚長大，最終可能造成流道“水淹”[4]。

為了精準直觀地觀察流道中液態水的運動狀態，Zhan等[5]和Aslam 等[6]通過利用高速攝像機對透明單電池陰極側流道中液態水的運動狀態進行可視化研究，結果發現當流道壁面為親水性時，表面張力和壁面的粘附力使液態水以膜狀流附著在壁面上。彎道處的液態水隨著氣體流速的增加、操作壓力和加濕度的降低而降低。但是該方法對實驗條件要求比較嚴格，不適用結構復雜的流道。

目前大多數研究者使用數值模擬的方法研究流道中液態水的運動狀態。Yan 等[7]和Preng 等[8]通過對3D 波浪形流場進行數值模擬，發現3D 的幾何結構可以增強氣體慣性力的作用，有效除去GDL 中的水分，從而提高電池的性能。Tao等[9]和Huang 等[10]分別提出了葉脈和人體腸系膜上動脈及其分支結構兩種新型仿生流場，發現仿生流場可以改善液態水的傳輸特性，縮短液態水在流場中的停留時間，提高其排水性能。

流道結構對電池水管理具有直接影響，本文基于流體體積函數(volume of fluid,VOF)法，對直流道、局部窄直流道、文丘里流道以及波浪形流道在不同氣體流速下液態水的運動狀態進行模擬，研究了不同流道結構的排水性能。

1 計算模型

本文不考慮電池中的電化學反應，流道是等溫的，反應生成水以液態水形式從GDL 中冒出，在流道中不發生相變[11-12]。由于VOF 模型能精確追蹤氣液兩相界面的移動變化[13]，可直接利用該模型研究流道中兩相流的傳輸過程。

1.1 兩相流VOF 模型

VOF 模型的質量守恒方程為：

動量守恒方程為：

式中：σ為表面張力系數，J/s2；κ為兩相界面處的表面曲率，為兩相界面的單位法向量分別為壁面的單位法向量和單位切向量；θ為壁面上的靜態接觸角。

f1為氣相的體積分數，f2為液相的體積分數，且兩相滿足：

在VOF 模型中，氣液兩相界面的捕捉可通過求解相連續性方程：

混合物密度和粘度為：

1.2 幾何模型

本文的計算域分別為直流道、局部窄直流道、文丘里流道和波浪形流道，如圖1(a)所示，長度為65.6 mm，深度為0.3 mm，直流道和波浪形流道寬度均為1 mm，局部窄直流道和文丘里流道存在“窄處”，流道最寬處和最窄處分別為1 和0.25 mm。在流道氣體進口前半段的GDL 側設置3 個直徑為0.2 mm 的液態水進口。流道的微結構如圖1(b)和(c)所示，局部窄直流道“窄處”的圓弧半徑r1=2.27 mm，圓角r2=2 mm，長度a=3.5 mm。文丘里流道具有文丘里管收縮和擴張結構特征，它和波浪形流道的波浪長度L=4.68 mm，波幅b/2=0.187 5 mm，由14 個周期組成。

圖1 流道的計算域

1.3 邊界條件

在流道壁面上施加無滑移邊界條件，氣體進口和液態水進口為速度進口，出口為壓力出口，四種流道的網格總數為385 698～580 299。考慮垂直于水平方向上的重力g，工作溫度為80 ℃，材料的物性參數及其他一些參數根據工作溫度確定。氣體流速為2、4、6 和8 m/s，液態水進口流速為0.2 m/s。側壁和頂壁的接觸角為70°，GDL 的接觸角為130°。利用商業CFD 軟件進行模擬計算。

2 結果與討論

2.1 不同流道結構中液態水運動狀態

圖2 為直流道、局部窄直流道、文丘里流道和波浪形流道在不同氣體流速下液態水的運動狀態。總體而言，當氣體流速u從2 m/s 增加到8 m/s 時，4 種流道的排水能力同時提升，流道中殘余的水(即可能覆蓋在GDL 和流道壁面上的水)明顯減少。當氣體流速u=2 m/s 和4 m/s 時，液態水在流道壁面上都有大量的積聚，這是因為壁面具有親水性(接觸角70°)，表面張力和壁面的粘附力的作用大于氣體慣性力的影響。

圖2 不同氣體流速下的流道中液態水運動狀態

相比較于直流道和波浪形流道，局部窄直流道與文丘里流道由于流道“窄處”對氣體的加速作用，液態水容易被氣流吹散、破碎成小的液滴而更易排出流道。對于局部窄直流道與文丘里流道，后者流道寬窄變化的頻率明顯高于前者，相同的氣流速度下其對排水的影響也越趨明顯，流道中殘余的水明顯減少。在波浪形流道中，由于流道彎曲處氣體的回流，液態水積聚在凹處，很難被氣體吹散。積聚在壁面上的液態水，極可能會堵塞GDL 的水/氣傳輸通道，造成“水淹”，從而降低電池的輸出性能。

圖3 顯示了當氣體流速u=2 m/s，t=0.3 s 時，流道深度1/2處的局部速度矢量圖和壓力云圖。直流道和波浪形流道中氣流速度矢量及壓力梯度分布均勻，對液滴不易產生擾動作用；對于局部窄直流道和文丘里流道，在“窄處”時由于流道尺寸發生較大變化，速度明顯加快，對液態水珠或水膜具有推動作用，而在“寬處”流速較低，但壓力較高，與下一個“窄處”的壓力差值增加，也對液態水珠或水膜具有推動作用。流道寬窄周期性的變化，可以產生周期性下文丘里效應，排水效果顯著增加。

圖3 氣體流速2 m/s時流道深度1/2處的局部速度矢量圖(左)和壓力云圖(右)

流道中液態水在不同氣體流速下開始排出的時間如圖4所示，總體而言，隨著氣體流速的增加，液態水排出的時間越早。直流道和波浪形流道排出液態水的時間基本相同，而文丘里流道液態水排出的時間早于其他流道，這也是由于流道“窄處”可以增強氣體慣性力，且文丘里流道的“窄處”多于局部窄直流道，使其液態水排出的時間更早。

圖4 不同流道中液態水開始排出的時間

2.2 穩態時流道進出口壓降

考慮穩態流道進出口壓降時，氣體流速分別設置為2、4、6、8 m/s 四個速度，液態水進口流速仍然是0.2 m/s。根據流道出口水的質量流量和進出口壓降的監測數據可知，在t=0.3 s后，監測數據呈周期性變化，可認為此時刻流道內已達到穩態。穩態時不同流道的進出口平均壓降隨氣體流速的變化，如表1 所示，壓降隨氣體流速的增加呈線性增加。其中直流道和波浪形流道的壓降差異不大，由于“窄處”的存在，文丘里流道的壓降最大，其次是局部窄直流道。

表1 穩態時不同流道的進出口平均壓降隨氣體流速的變化

局部窄直流道和文丘里流道“窄處”對氣體的加速作用，增強流道除水能力，但高壓降意味著空壓機功率損失增加，使電池的整體效率降低。因此兼顧電池水管理與效率，需要優化局部窄直流道和文丘里流道的尺寸寬窄變化的頻率。

為了更深入分析流道進出口壓降與排水之間的關系，圖5 給出了氣體流速u=2 m/s 時直流道在t=0.3～0.8 s 內的進出口壓降與出口水質量流量的對應關系，實線為進出口壓降，點劃線為出口水的質量流量，處于穩態時，二者呈周期性波動。曲線上圓圈和方形分別為不同周期性階段的進出口壓降和出口水質量流量的峰值點，即最大壓降點和最大排水點。且最大壓降點和最大排水點一一對應，說明流道中液態水的積累使壓降增大，當出口液態水達到最大排水點時，壓降開始降低，即流道的壓降越高，氣體帶走水的能力越強。

圖5 穩態時直流道的進出口壓降與出口水的質量流量(u=2 m/s)

2.3 穩態時流道中保有水量

除了壓降，圖6 給出了穩態時不同氣體流速下流道中保有水量，即未被氣體帶走存留在流道中的水量。波浪形流道中保有水量稍高于直流道，但直流道的壓降卻稍低于波浪形流道的壓降，這是因為在波浪形流道彎曲處氣體的回流，使液態水積聚在凹處，很難被氣體吹散。由于高的壓降，文丘里流道中保有水量低于其他流道，其次是局部窄直流道。液態水進口的流速恒為0.2 m/s，隨著氣體流速的增加，流道中保有水量越來越小，即電池電流密度一定時，過量系數越大，排水性能越好。

圖6 穩態時不同氣體流速下各流道中保有水量

為了研究流道中保有水量與壁面接觸角的關系，圖7 給出了穩態時直流道在不同氣體流速下的保有水量隨壁面接觸角的變化。可以看出，流道中保有水量隨氣體流速和壁面接觸角的增加而降低，當氣體流速為2 和4 m/s 時，壁面接觸角對流道中保有水量影響顯著，而氣體流速增加到6 和8 m/s時，流道中保有水量受壁面接觸角的影響不大。這說明當氣體流速較低時，對流道壁面的進行疏水處理，可以提高流道的排水性能。

圖7 穩態時不同氣體流速下直流道中保有水量隨壁面接觸角的變化

3 結論

本文基于VOF 兩相流模型，對直流道、局部窄直流道、文丘里流道以及波浪形流道在不同氣體流速下液態水的運動狀態進行模擬，研究不同流道結構的排水性能，獲得如下結論：

(1)當氣體流速較低時，表面張力和壁面粘附力的作用大于氣體慣性力的影響，液態水在流道壁面上大量積聚，堵塞GDL 中的水/氣通道，降低電池的輸出性能。當氣體流速增加時，氣體慣性力的影響越顯著，液態水更易被氣體吹散排出流道。

(2)局部窄直流道和文丘里流道“窄處”對氣體的加速作用，增強流道排水性能，但高壓降意味著空壓機功率損失增加，使電池的整體效率降低。因此兼顧電池水管理與效率，需要優化局部窄直流道和文丘里流道的尺寸寬窄變化的頻率。

(3)氣體流速影響流道中保有水量，也即影響膜的潤濕性和膜電極的氣體阻力，影響電池電性能及耐久性。

后續還需要對不同流道結構的電池性能進行模擬與實驗研究，獲得具體的具有實用意義的流道結構參數。