气流流速对PEMFC流道水管理影响的数值模拟研究

胡弦

摘 要：水管理是影响质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作性能以及工作效率的关键技术。借助ANSYS建立一个以两相流为基础的流体体积函数（VOF）模型，通过计算水滴在不同入口速度下的流道里的运动状态来研究气流速度对于水管理的影响。结果表明，流速较低时，液滴容易在流道内坍塌，易造成液态水累积，阻塞阴极多孔电极，降低电池的工作效率。随着速度慢慢增大，液滴的形变会先减小，但是当风速过大时，液滴会逐渐破碎，破碎后的小液滴可能会滞留在流道内，从而造成电池工作效率降低。

关键词：PEMFC；水管理；VOF模型；气流流速

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种能将氢气与氧气转化成洁净水和热量并释放出电能的装置。PEMFC中的阴极流道存在比较复杂的水淹问题，需要从机理层面分析解决[1]。由于燃料电池流道尺寸小，液态水运动速度大，实验对成像装置的各方面分辨率的要求非常高，实验条件较难满足[2]。因此，大部分研究者都是采用模拟仿真的方法来研究水在PEMFC流道内的传输过程。JU H等[3]提出了建立PEMFC阴极电极的两相流模型。YOU L等[4]在此基础上再次建立了阴极流道的两相流模型。本研究采用流体体积函数（Volume of Fluid，VOF）方法建立了PEMFC流道内空气-水两相流模型，基于此模型，结合气流速度的变化，研究流道内气流速度对液态水在PEMFC流道中传输和去除过程的影响。

1 VOF模型的建立

1.1 几何模型建立

本研究所建立的模型为PEMFC燃料电池的一段阴极直流道，如图1所示，流道横截面是一个尺寸为1 mm×1 mm的正方形，流道长度为20 mm，流道左侧为inlet面，空气从该侧流入，从另一侧outlet面流出，重力方向垂直水平面向下，流道下方为气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）面，两侧为流道侧壁，上方为流道顶壁，流道的几何区域和边界一起构成了整个VOF模型的计算域。

1.2 数学方法

1.2.1 连续性方程

1.3 模拟工况

本模型的流道内部是等温的，且不发生相变，在流动过程中没有能量的交换。

水滴引入位置为距离出口1 mm的GDL表面中心线处，流道内速度分别选择2、4、6、8 m/s这4种气流速度，侧壁接触角为70°，GDL接触角为140°。

2 模拟结果分析

气体流速为2 m/s时水滴在流道内的流动状态如图2所示，结合式（8）可知，在风速v=2 m/s时，We=17.72，韦伯数较大，说明气体惯性力对流体运动的影响要远大于表面张力和壁面粘附力对流体运动的影响，在流出流道之时液滴的形状并没有发生较大改变，但是由于风速较低，液滴运动速度较小，生成的液态水不断积累，容易导致阴极多孔电极阻塞，燃料电池流道中的水过量可能会阻碍氧扩散，限制催化剂层的反应速率，大大降低电池性能，这种现象被称为水淹。

气流流速为4 m/s时水滴在流道内的流动状态如图3所示，v=4 m/s时，We=4.43，液滴在运动过程中同样除了有坍塌的现象外并无太大变形，但是整体运动速度会比v=2 m/s时要快一些，在0.037 s时液滴慢慢完整地滑出流道，在此期间无液滴的破裂，但是液滴慢慢坍塌，若流道较长可能会形成液滴的完全坍塌或者液滴的拖曳。

氣流流速v=6 m/s时流道内液滴的流动状态如图4所示，当v=6 m/s时，根据式（8）可算出We减小到1.9，由于风速变大，液滴的坍塌程度要小一些，但是仍旧有变形，且液滴变形程度要比前两种大一些，但根据We可知，在此过程中惯性力仍旧为其主要的影响因素，所以，最终也是以完整的液滴形式被吹出流道，时间在0.026 s左右。在实际的电池工作过程中，这样的风速也更利于生成水的排出，排出速度较快，且不易产生较大的形变使液滴在管道内破碎，造成生成水的积累。

气流流速v=8 m/s时液滴在流道内的流动状态如图5所示，此时We=0.7，液滴在0.014 s左右形变加大，进而破碎，这是由于We数较小，液滴在流道内受到气体惯性力影响较大，在气体惯性力和扩散层GDL表面阻力的共同作用下，液滴开始破碎，在0.016 s左右以拖尾形状吹出流道，破碎的小液滴会在流道内积累，进而容易造成阴极多孔电极阻塞，导致阴极电极和流道的“水淹”，电池的工作效率急速下降。

3 结语

入口流速的大小会对生成水在流道内的运动造成一定的影响，若流速较低，We数够大，表面张力造成的影响很小，不易造成液滴破碎，但是生成水容易在流道内坍塌，可能会造成水的生成速度和排出速度不匹配，导致生成水因排出速度过慢而滞留在流道中，从而造成液态水累积，阻塞阴极多孔电极，降低电池的工作效率。随着入口速度慢慢加快，排出速度会加快，液体的形变会先减小，但是当风速过大时，由于We<1，气体惯性力对液滴的影响增大，在和GDL壁面摩擦阻力的相互作用下，液滴会逐渐破碎，破碎后的小液滴可能会滞留在流道内，同样造成生成水在GDL面上的累积，导致阴极多孔电极阻塞，从而造成电池工作效率降低。

[參考文献]

[1] 秦彦周.质子交换膜燃料电池流道内两相流动的数值模拟研究[D].天津：天津大学，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