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燃料电池部分堵塞通道内液滴的动态行为

2024-11-08 78 上传者：管理员

摘要：为了有效去除通道内液态水，采用流体体积模型(volume of fluid model, VOF)方法研究了燃料电池通道内部分堵塞对液滴运输过程的影响，探讨了堵塞块形状参数、液滴尺寸和气体扩散层(gas diffusion layer, GDL)表面润湿性对通道内两相输运特性的影响.结果表明：堵塞块的存在会影响液滴在通道内运输，堵塞块的引入导致液滴受到y方向的剪切力增大，液滴的运输速率提高，有利于GDL表面液态水的去除；随着堵塞比和纵向比的增大，通道内压降增大，液滴运输速率加快；随着液滴直径和GDL表面接触角的增大，液滴运输速率增大；当液滴直径为0.8 cm和GDL表面接触角为150°时，通道内液滴的运输速率越快.

关键词：
VOF方法
水管理
液滴传输
质子交换膜燃料电池
部分堵塞通道
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质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具有启动快、零排放、效率高等优点，然而其实际应用和商业化过程充满了挑战，水管理就是挑战之一，优化水管理是提高PEMFC性能和降低成本的重要举措.在PEMFC中，液态水的出现会导致通道内的压降增加，阻塞反应气体运输，反应气体分布不均匀[1].气体通道的几何形状影响通道内反应气体和液态水的传输，部分阻塞通道是增加反应气体从通道扩散至催化层(catalytic layer, CL)的有效方法.堵塞通道改变了气体的传输路径，促进气体从通道到气体扩散层(gas diffusion layer, GDL)和CL的大规模传输，提高了燃料电池的性能[2-3].

许多学者针对通道几何形状对液态水运输的影响进行了研究.LI Z. J.等[4]探讨了液滴在三维流场中的动态行为，研究发现，三维流场对液滴有较大的驱动力，液滴的变形影响液态水的排出.LEI H.等[5]提出了锥形斜坡结构流道，结果表明，锥形和倾斜结构可以提高液滴在通道中的传输效率.I. S. ANYANWU等[6]对PEMFC正弦通道内的液滴动力学进行了数值模拟，研究发现，正弦距离和壁面接触角对通道内两相流的影响显著.XU Y. F.等[7]研究了类波气体流道的尺寸参数和壁面接触角对水积聚的影响，结果表明，液滴的运动状态取决于GDL和双极板表面的相对润湿性，气体通道(gas channel, GC)的几何参数对压力、除水行为和分离时间有显著影响.DANG D. K.等[8]研究了对称仿生流场中液态水的传输，提出根据Murray分支定律优化分支结构，最终得到更均匀的液态水和压力分布，提高了燃料电池的性能.

现阶段针对PEMFC通道内液态水输运和去除方面已经开展了大量工作，学者们探索了不同的通道形状，设计了具有良好除水能力的新型通道.研究发现通道部分堵塞有利于提高燃料电池性能，目前关于部分堵塞通道内液滴动态行为的研究较少，有必要开展相关研究，揭示部分堵塞通道对液滴输运和去除的影响机制.

笔者采用三维两相流体体积模型(volume of fluid model, VOF),预测通道内液态水动态行为过程，对比分析直通道与堵塞通道内的压降和y方向速度分布，研究堵塞块形状参数(堵塞比、纵向比)、液滴尺寸和GDL表面润湿性对通道内液滴动态行为、压降和GDL表面水覆盖率的影响，为PEMFC的优化设计提供参考.

1、数值模拟

1.1 计算域和模型假设

主要探讨部分堵塞通道内液滴动态行为，气体通道计算域如图1所示，其中：L=10 mm;H=1 mm.一个高度和长度分别为h和l的堵塞块，覆盖了通道的整个宽度，位于上壁(毗邻双极板).在PEMFC中，水突破GDL表面孔隙生成液滴，在t=0 ms时，引入一个半径为300 μm的液滴，假定液滴处于距流道入口2 mm.

图1 气体通道计算域

主要模型假设如下：① 气体流动是层流且不可压缩；② 气体充分加湿，忽略液态水的相变；③ 两相间的表面张力系数为常数，忽略动态润湿性效应；④ 忽略重力的影响.

1.2 控制方程

利用VOF方法计算各相的体积分数，跟踪气液界面的输运，控制方程如下：

连续性方程为

式中：ρ为密度；t为时间；v为速度矢量.

动量方程为

式中：p为静压；μ为黏度；Fs为汽液两相交界面的表面张力.

在VOF方法中，表面张力为

式中：σ为表面张力系数；k为两相界面曲率；φ1为空气的体积分数；ρ1为空气的密度；ρ2为水的密度.

方程(3)是连续体表面力模型，两相界面曲率为

为单位表面法向量；n为表面法向量，定义为相体积分数梯度.

n=∇φ1. (5)

考虑到壁面的黏着效应，表面单元法向量

由与壁面相邻的网格单元决定，壁面附近的表面曲率为

为垂直于壁面的单位矢量；

为与壁面相切的单位矢量；θ为壁面的静态接触角.

液态水体积分数φ2满足第二相连续性方程：

空气体积分数的计算式为

由于计算域中只能被液态水或空气或它们的组合所占据，因此上述控制方程中出现的密度和黏度均为平均值，计算域中物质的密度和黏度计算式为

式中：μ1、μ2分别为空气和水的黏度.

1.3 边界和模型参数

流道进口采用速度进口边界，气流速度大小均匀分布，方向垂直于流道进口边界.流道出口采用压力出口边界，出口压力设定为0.101 MPa.根据出口处的流动状态，气流已经达到充分发展，确保了流动的稳定性和均匀性.流道和GDL的表面都采用无滑移边界条件，设置流道壁面的接触角为90°,GDL壁面的接触角为θGDL.计算域内的初始速度设定为气流的进口速度，压力设定为流道出口压力，水气界面的表面张力系数为0.072 N/m.

1.4 离散方法

利用软件ANSYS FLUENT 19.0对液滴运动过程进行瞬态模拟.使用基于压力的求解器求解非稳态控制方程，并选择基于显式方案的VOF方法进行多相仿真.压力速度耦合使用带分裂算子隐式压力(pressure-implicit with splitting of operators, PISO)算法，压力离散化使用压力交错选项(pressure staggering option, PRESTO)方案.动量方程由二阶迎风方案求解，界面处的体积分数由几何重构方案计算，模拟中的时间步长为10-6s.

1.5 仿真方案

研究了堵塞块的几何参数(堵塞比γ,纵向比β)以及物理参数(GDL表面接触角θGDL和液滴直径d)对通道水去除的影响，仿真方案如表1所示.

表1 仿真方案

1.6 模型验证与网格独立性

仿真结果与文献[9]试验结果的对比及其验证如图2所示，其中Δp为压降.

图2 仿真结果与文献[9]试验结果的对比及其验证

从图2可以看出：仿真结果与文献[9]试验结果的曲线变化趋势一致，压降误差小于2.7%.为了确定合适的网格尺寸，对4组网格数的压降进行了测试和比较，4组网格数分别为80 000、173 056、272 700、362 637 个，如图2b所示，随着网格数的增大，压降趋于一致，考虑到计算的准确性和时间，选用网格数为362 637个.

2、结果与讨论

2.1 基础案例

直通道与部分堵塞通道内液滴动态行为预测过程和y方向速度分布如图3所示，其中：vy为y方向速度；蓝色部分为气液交界面，其余部分为空气.

图3 气体通道内液滴动态行为预测过程与y方向速度分布

从图3可以看出：堵塞块的存在会影响液滴在通道内的运输，部分堵塞通道内的液滴去除速率明显大于直通道，这是因为堵塞块的存在，沿y方向的气体吹扫速度增大，液滴受到沿y方向的剪切力增大，导致液滴运动速率增大.

对比分析y方向速度分布，可以发现，堵塞块的引入导致通道内高速区从通道上壁面转移至靠近GDL表面，这有利于去除GDL表面液态水，如图3c、d所示，当t=8.0 ms时，液滴受到高速气流的影响，克服GDL表面黏附力，脱离GDL表面，实现了更有效的液滴排出.

直通道和部分堵塞通道内压降和GDL表面水覆盖率对比如图4所示，其中η为GDL表面水覆盖率.堵塞块的存在对通道内压降和GDL表面水覆盖率影响显著，部分堵塞通道内的压降显著大于直通道，当t=5.5～7.0 ms时，部分堵塞通道内压降出现激增.这是因为此时液滴处于堵塞块下方，通道内出现堵塞现象，通道内阻力增大，导致压降升高.从图4b可以看出：当液滴处于堵塞块下方时，GDL表面水覆盖率上升；当t=8.0 ms时，GDL表面水覆盖率降为0.表明部分堵塞通道可以有效去除GDL表面液态水，避免GDL孔隙堵塞，有利于提高燃料电池性能.

图4 直通道和部分堵塞通道内压降和GDL表面水覆盖率对比

2.2 通道阻塞的影响

堵塞比和纵向比对通道内液滴动态行为的影响分别如图5、6所示，堵塞比和纵向比对通道内水传输影响显著，随着堵塞比和纵向比的增大，通道内液滴运输速率加快；当纵向比为0.8时，由于堵塞块阻碍了液滴的运输，液滴发生破碎. 徐城杰等[10]研究发现液滴破碎有利于缓解通道水淹，有效提高了水管理性能.

图5 堵塞比对通道内液滴动态行为的影响

图6 纵向比对通道内液滴动态行为的影响

不同堵塞比对压降和GDL表面水覆盖率的影响如图7所示，随着堵塞比的增大，压降激增的时间点前移，整个周期内压降峰值逐渐增大，这是由于堵塞比的增大导致通道内阻力增大所致；堵塞比对GDL表面水覆盖率的影响较小，随着堵塞比的增大，GDL表面水覆盖率波动的时间点前移，这是由于堵塞比的增大导致液滴的运输速率增大，液滴更快到达堵塞块下方，导致GDL表面水覆盖率增大.不同纵向比对压降和GDL表面水覆盖率的影响如图8所示，纵向比对通道内压降影响显著，随着纵向比的增大，压降成倍数增大，较大的压降会增大寄生功率，降低燃料电池性能；随着纵向比的增大，在t大于7.0 ms时，GDL表面液态水能够得到有效去除，从而有助于提升燃料电池的整体性能.

图7 不同堵塞比对压降和GDL表面水覆盖率的影响

图8 不同纵向比对压降和GDL表面水覆盖率的影响

2.3 液滴尺寸的影响

试验观察发现，GDL表面出现的液滴直径在50 μm到800 μm之间，有必要研究不同尺寸液滴在通道内的运输过程.液滴直径对通道内液滴动态行为的影响如图9所示，随着液滴直径的增大，通道内液滴运输速率加快，这是因为液滴直径增大，液滴的迎风面积增大，液滴受到沿着y方向剪切力增大，导致液滴运输速率加快，通道内大液滴有利于水去除.不同液滴直径对压降和GDL表面水覆盖率的影响如图10所示，较大的液滴直径会导致通道内压降相对激增，增大了燃料电池寄生功率的损失，这对燃料电池的稳定工作不利；在t≤5.0 ms时，随着液滴直径的增大，GDL表面水覆盖率随之增大；当t>5.0 ms时，随着液滴直径的增大，GDL表面水覆盖率随之减小；当t>5.0 ms、液滴直径为0.8 mm时，GDL表面水覆盖率降为0,这是因为大液滴撞击堵塞块发生破碎，液滴脱离GDL表面，有效去除了GDL表面液态水.

图9 不同液滴直径对通道内液滴动态行为的影响

图10 不同液滴直径对压降和GDL表面水覆盖率的影响

2.4 气体扩散层表面润湿性影响

不同GDL表面润湿性对通道内液滴动态行为的影响如图11所示，通过增加接触角(增加表面疏水性),降低了GDL表面的润湿性，GDL表面润湿性对液滴运输行为影响显著.随着GDL表面接触角的增大，液滴的运输速率加快，这是因为随着接触角的增大，液滴与GDL表面间的黏附力减小，在受到相同切向剪切力的作用下，液滴更易克服黏附力的影响向出口处移动.结果表明，较为疏水的GDL表面有利于通道内液滴去除，这与张恒等[1]的研究结果相一致.

图11 不同GDL表面润湿性对通道内液滴动态行为的影响

不同GDL表面润湿性对压降和GDL表面水覆盖率的影响如图12所示.

图12 不同GDL表面润湿性对压降和GDL表面水覆盖率的影响

从图12可以看出：随着GDL表面接触角的增大，压降激增的时间点前移，这是因为较大的接触角下，液滴的运输速率加快，液滴更快到达堵塞块下方，导致通道内压降激增；随着GDL表面接触角的增大，整个周期内压降峰值逐渐增大，这是由于较小的GDL表面接触角下，液滴更倾向于黏附在亲水的GDL表面，平铺状的液滴减小了通道内的阻力，导致通道内压降减小；随着GDL表面接触角的增大，GDL表面水覆盖率随之减小，这与徐城杰等[10]试验结果一致.

3、结论

1) 堵塞块的存在会影响液滴在通道内的运输，部分堵塞通道内的液滴去除速率明显大于直通道，可以有效去除GDL表面液态水，避免GDL孔隙堵塞，有利于提高燃料电池性能.

2) 堵塞比和纵向比对通道内水传输影响显著，随着堵塞比和纵向比的增大，通道内压降增大，液滴运输速率加快，GDL表面液态水能够被有效去除.

液滴直径和GDL表面润湿性对通道内液滴动态行为影响显著.随着液滴直径的增大，通道内压降和GDL表面水覆盖率随之增大，通道内大液滴有利于水去除.随着GDL表面接触角的增大，液滴运输速率增大，疏水的GDL表面有利于通道内液滴去除.

参考文献:

[1]张恒,陈涛,刘士华,等.PEMFC微流道内液滴运动的数值分析[J].电源技术,2018,42(12):1841-1845.

[10]徐城杰,张广升,刘洪潭,等.PEM燃料电池内部水传递的数值模拟[J].工程热物理学报,2010(9):1504-1507.X

基金资助:国家自然科学基金资助项目(51776089); 汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助课题项目(KFY2227);

文章来源:刘帅,张礼斌,裴昊,等.燃料电池部分堵塞通道内液滴的动态行为[J].江苏大学学报(自然科学版),2024,45(06):653-659.