PEMFC流道结构对电池水管理影响的研究

孙亚浩，朱瑞杰，陈小松，詹志刚,2

(1.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 430070；2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070)

质子交换膜燃料电池(proton electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)是直接将化学能转化为电能的一种装置，可将氢气作为燃料，空气作为氧化剂，通过电化学反应在电池的阴极生成水。电池中水管理是影响电池电性能及耐久性的关键因素之一。良好的水管理可确保质子交换膜充分润湿而维持高的离子电导率，同时避免电池产生局部“水淹”；否则，可能产生膜过干而使内阻增加，或发生“水淹”阻碍气体传输，降低电性能，或发生“饥饿”导致反极而影响耐久性[1-2]。

PEMFC 阴极侧流道中的主要产物为气态或液态水，随着操作条件的改变，空气和液态水的混合物可能为塞子流、雾状流或膜状流[3]。电池正常工作时，液态水以小液滴形式不断从气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)中渗出，小液滴不断地积聚长大，最终可能造成流道“水淹”[4]。

为了精准直观地观察流道中液态水的运动状态，Zhan等[5]和Aslam 等[6]通过利用高速摄像机对透明单电池阴极侧流道中液态水的运动状态进行可视化研究，结果发现当流道壁面为亲水性时，表面张力和壁面的粘附力使液态水以膜状流附着在壁面上。弯道处的液态水随着气体流速的增加、操作压力和加湿度的降低而降低。但是该方法对实验条件要求比较严格，不适用结构复杂的流道。

目前大多数研究者使用数值模拟的方法研究流道中液态水的运动状态。Yan 等[7]和Preng 等[8]通过对3D 波浪形流场进行数值模拟，发现3D 的几何结构可以增强气体惯性力的作用，有效除去GDL 中的水分，从而提高电池的性能。Tao等[9]和Huang 等[10]分别提出了叶脉和人体肠系膜上动脉及其分支结构两种新型仿生流场，发现仿生流场可以改善液态水的传输特性，缩短液态水在流场中的停留时间，提高其排水性能。

流道结构对电池水管理具有直接影响，本文基于流体体积函数(volume of fluid,VOF)法，对直流道、局部窄直流道、文丘里流道以及波浪形流道在不同气体流速下液态水的运动状态进行模拟，研究了不同流道结构的排水性能。

1 计算模型

本文不考虑电池中的电化学反应，流道是等温的，反应生成水以液态水形式从GDL 中冒出，在流道中不发生相变[11-12]。由于VOF 模型能精确追踪气液两相界面的移动变化[13]，可直接利用该模型研究流道中两相流的传输过程。

1.1 两相流VOF 模型

VOF 模型的质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

式中：σ为表面张力系数，J/s2；κ为两相界面处的表面曲率，为两相界面的单位法向量分别为壁面的单位法向量和单位切向量；θ为壁面上的静态接触角。

f1为气相的体积分数，f2为液相的体积分数，且两相满足：

在VOF 模型中，气液两相界面的捕捉可通过求解相连续性方程：

混合物密度和粘度为：

1.2 几何模型

本文的计算域分别为直流道、局部窄直流道、文丘里流道和波浪形流道，如图1(a)所示，长度为65.6 mm，深度为0.3 mm，直流道和波浪形流道宽度均为1 mm，局部窄直流道和文丘里流道存在“窄处”，流道最宽处和最窄处分别为1 和0.25 mm。在流道气体进口前半段的GDL 侧设置3 个直径为0.2 mm 的液态水进口。流道的微结构如图1(b)和(c)所示，局部窄直流道“窄处”的圆弧半径r1=2.27 mm，圆角r2=2 mm，长度a=3.5 mm。文丘里流道具有文丘里管收缩和扩张结构特征，它和波浪形流道的波浪长度L=4.68 mm，波幅b/2=0.187 5 mm，由14 个周期组成。

图1 流道的计算域

1.3 边界条件

在流道壁面上施加无滑移边界条件，气体进口和液态水进口为速度进口，出口为压力出口，四种流道的网格总数为385 698～580 299。考虑垂直于水平方向上的重力g，工作温度为80 ℃，材料的物性参数及其他一些参数根据工作温度确定。气体流速为2、4、6 和8 m/s，液态水进口流速为0.2 m/s。侧壁和顶壁的接触角为70°，GDL 的接触角为130°。利用商业CFD 软件进行模拟计算。

2 结果与讨论

2.1 不同流道结构中液态水运动状态

图2 为直流道、局部窄直流道、文丘里流道和波浪形流道在不同气体流速下液态水的运动状态。总体而言，当气体流速u从2 m/s 增加到8 m/s 时，4 种流道的排水能力同时提升，流道中残余的水(即可能覆盖在GDL 和流道壁面上的水)明显减少。当气体流速u=2 m/s 和4 m/s 时，液态水在流道壁面上都有大量的积聚，这是因为壁面具有亲水性(接触角70°)，表面张力和壁面的粘附力的作用大于气体惯性力的影响。

图2 不同气体流速下的流道中液态水运动状态

相比较于直流道和波浪形流道，局部窄直流道与文丘里流道由于流道“窄处”对气体的加速作用，液态水容易被气流吹散、破碎成小的液滴而更易排出流道。对于局部窄直流道与文丘里流道，后者流道宽窄变化的频率明显高于前者，相同的气流速度下其对排水的影响也越趋明显，流道中残余的水明显减少。在波浪形流道中，由于流道弯曲处气体的回流，液态水积聚在凹处，很难被气体吹散。积聚在壁面上的液态水，极可能会堵塞GDL 的水/气传输通道，造成“水淹”，从而降低电池的输出性能。

图3 显示了当气体流速u=2 m/s，t=0.3 s 时，流道深度1/2处的局部速度矢量图和压力云图。直流道和波浪形流道中气流速度矢量及压力梯度分布均匀，对液滴不易产生扰动作用；对于局部窄直流道和文丘里流道，在“窄处”时由于流道尺寸发生较大变化，速度明显加快，对液态水珠或水膜具有推动作用，而在“宽处”流速较低，但压力较高，与下一个“窄处”的压力差值增加，也对液态水珠或水膜具有推动作用。流道宽窄周期性的变化，可以产生周期性下文丘里效应，排水效果显著增加。

图3 气体流速2 m/s时流道深度1/2处的局部速度矢量图(左)和压力云图(右)

流道中液态水在不同气体流速下开始排出的时间如图4所示，总体而言，随着气体流速的增加，液态水排出的时间越早。直流道和波浪形流道排出液态水的时间基本相同，而文丘里流道液态水排出的时间早于其他流道，这也是由于流道“窄处”可以增强气体惯性力，且文丘里流道的“窄处”多于局部窄直流道，使其液态水排出的时间更早。

图4 不同流道中液态水开始排出的时间

2.2 稳态时流道进出口压降

考虑稳态流道进出口压降时，气体流速分别设置为2、4、6、8 m/s 四个速度，液态水进口流速仍然是0.2 m/s。根据流道出口水的质量流量和进出口压降的监测数据可知，在t=0.3 s后，监测数据呈周期性变化，可认为此时刻流道内已达到稳态。稳态时不同流道的进出口平均压降随气体流速的变化，如表1 所示，压降随气体流速的增加呈线性增加。其中直流道和波浪形流道的压降差异不大，由于“窄处”的存在，文丘里流道的压降最大，其次是局部窄直流道。

表1 稳态时不同流道的进出口平均压降随气体流速的变化

局部窄直流道和文丘里流道“窄处”对气体的加速作用，增强流道除水能力，但高压降意味着空压机功率损失增加，使电池的整体效率降低。因此兼顾电池水管理与效率，需要优化局部窄直流道和文丘里流道的尺寸宽窄变化的频率。

为了更深入分析流道进出口压降与排水之间的关系，图5 给出了气体流速u=2 m/s 时直流道在t=0.3～0.8 s 内的进出口压降与出口水质量流量的对应关系，实线为进出口压降，点划线为出口水的质量流量，处于稳态时，二者呈周期性波动。曲线上圆圈和方形分别为不同周期性阶段的进出口压降和出口水质量流量的峰值点，即最大压降点和最大排水点。且最大压降点和最大排水点一一对应，说明流道中液态水的积累使压降增大，当出口液态水达到最大排水点时，压降开始降低，即流道的压降越高，气体带走水的能力越强。

图5 稳态时直流道的进出口压降与出口水的质量流量(u=2 m/s)

2.3 稳态时流道中保有水量

除了压降，图6 给出了稳态时不同气体流速下流道中保有水量，即未被气体带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，但直流道的压降却稍低于波浪形流道的压降，这是因为在波浪形流道弯曲处气体的回流，使液态水积聚在凹处，很难被气体吹散。由于高的压降，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。液态水进口的流速恒为0.2 m/s，随着气体流速的增加，流道中保有水量越来越小，即电池电流密度一定时，过量系数越大，排水性能越好。

图6 稳态时不同气体流速下各流道中保有水量

为了研究流道中保有水量与壁面接触角的关系，图7 给出了稳态时直流道在不同气体流速下的保有水量随壁面接触角的变化。可以看出，流道中保有水量随气体流速和壁面接触角的增加而降低，当气体流速为2 和4 m/s 时，壁面接触角对流道中保有水量影响显著，而气体流速增加到6 和8 m/s时，流道中保有水量受壁面接触角的影响不大。这说明当气体流速较低时，对流道壁面的进行疏水处理，可以提高流道的排水性能。

图7 稳态时不同气体流速下直流道中保有水量随壁面接触角的变化

3 结论

本文基于VOF 两相流模型，对直流道、局部窄直流道、文丘里流道以及波浪形流道在不同气体流速下液态水的运动状态进行模拟，研究不同流道结构的排水性能，获得如下结论：

(1)当气体流速较低时，表面张力和壁面粘附力的作用大于气体惯性力的影响，液态水在流道壁面上大量积聚，堵塞GDL 中的水/气通道，降低电池的输出性能。当气体流速增加时，气体惯性力的影响越显著，液态水更易被气体吹散排出流道。

(2)局部窄直流道和文丘里流道“窄处”对气体的加速作用，增强流道排水性能，但高压降意味着空压机功率损失增加，使电池的整体效率降低。因此兼顾电池水管理与效率，需要优化局部窄直流道和文丘里流道的尺寸宽窄变化的频率。

(3)气体流速影响流道中保有水量，也即影响膜的润湿性和膜电极的气体阻力，影响电池电性能及耐久性。

后续还需要对不同流道结构的电池性能进行模拟与实验研究，获得具体的具有实用意义的流道结构参数。