PEM燃料電池氣體擴散層微觀結(jié)構(gòu)中交叉流的數(shù)值模擬研究.pdf

1、如何有效地利用陰極反應(yīng)生成的水和加濕的反應(yīng)氣體對膜進行適當?shù)乃献饔?，并及時地排出陰極液態(tài)水，是提高質(zhì)子交換膜燃料電池性能的關(guān)鍵。作為氣體擴散層中一種典型的流動形式，交叉流能夠有效地排出陰極液態(tài)水。同時，由于氣體擴散層的疏水處理工藝，會導致其表面的接觸角分布不均勻。交叉流以及非均勻接觸角對氣體擴散層微觀結(jié)構(gòu)中液態(tài)水的傳輸過程均有影響，目前，與此相關(guān)的研究還很少。
　　本研究基于已經(jīng)開發(fā)的氣體擴散層真實微觀結(jié)構(gòu)的重建模型和VOF方法

2、，建立了一個三維、兩相流瞬態(tài)模型，研究接觸角（固定和漸變）、壓力差（毛細壓力）對交叉流在氣體擴散層微觀結(jié)構(gòu)中傳輸特性的影響。
　　研究結(jié)果表明，交叉流在氣體擴散層的傳輸過程中，會先通過一些容易滲透的孔隙，形成“毛細指進模式”；然后越來越多的液態(tài)水侵入到氣體擴散層中，填滿其余的大部分孔隙，形成“穩(wěn)定傳輸模式”。研究證實，對液態(tài)水的傳輸模式來說，壓力差比接觸角具有更顯著的影響。較高的壓力差和較小的接觸角能夠加快液態(tài)水的侵入過程，使交叉

3、流動過程達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間縮短；對于漸變接觸角工況，在垂直于流道方向的不同橫截面上，氣體擴散層表面的接觸角也不相同。在這些截面上，交叉流的傳輸特性與其在相對應(yīng)的固定接觸角工況下具有相同的變化規(guī)律；對于交叉流在氣體擴散層中的整個傳輸過程，漸變接觸角工況與其相對應(yīng)的固定接觸角中間值工況下的變化規(guī)律相似。當交叉流的傳輸過程接近結(jié)束時，達到規(guī)定的穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，毛細壓力（壓力差）隨液態(tài)水體積分數(shù)的增加而增大，這個趨勢在液態(tài)水體積分數(shù)