張含真，高清振，汪婧琳，潘道遠(yuǎn)

（安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

氣體擴(kuò)散層(Gas diffusion layer,GDL)是氫燃料電池的主要部分，通常由碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等組成。如圖1所示，擴(kuò)散層多孔隙蜂窩狀結(jié)構(gòu)建立了從集流板毫米尺度流道到催化層納米尺度流道之間的橋梁，具有輸氣、傳熱、導(dǎo)電、輸水等作用，對電池性能具有重要影響。

圖1 氣體擴(kuò)散層

其中，陰極擴(kuò)散層是空氣/水共用流道，而當(dāng)水無法排出時(shí)電池就會(huì)發(fā)生“水淹”，這也是擴(kuò)散層面臨的瓶頸問題之一[1]。目前，關(guān)于擴(kuò)散層輸水性的研究主要有：張恒[2]、熊牡[3]、劉青山[4]等采用建模仿真的方法研究了孔隙率對擴(kuò)散層輸水的影響；張禮斌[5]、Shengnan Liu[6]、Jaebong Sim[7]等基于數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析了擴(kuò)散層流道結(jié)構(gòu)與其排水性能的關(guān)系；王杰敏等[8]利用粗糙元和分形理論研究了擴(kuò)散層粗糙度對其水輸運(yùn)的作用；姜珮等[9]通過弛豫時(shí)間分布阻抗方法分析了擴(kuò)散層壓縮率對其輸水的影響；高凌峰等[10]通過綜述對比論述了擴(kuò)散層厚度對排水的作用；焦道寬[11]基于動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值模型探討了振動(dòng)對氣體擴(kuò)散層內(nèi)部液態(tài)水傳輸行為的影響。本文將拓展擴(kuò)散層輸水性研究視角，聯(lián)合多相流VOF方程、達(dá)西模型和N-S方程，更直觀地展示氣流參數(shù)、擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)特征、微觀水輸運(yùn)狀態(tài)三者之間的耦合關(guān)系，為優(yōu)化擴(kuò)散層排水做出有益貢獻(xiàn)。

1 擴(kuò)散層內(nèi)氣-液輸運(yùn)模型

1.1 物理模型

以AVCarb公司EP40T疏水型碳紙為研究對象，借助分形法[12]構(gòu)建擴(kuò)散層三維模型。因三維模型在二維界面投影形狀具有足以表征流道特征的相似性[13]，故如圖2所示將三維模型在X-Z平面剖切后平行放大構(gòu)建L×d尺寸氣體擴(kuò)散層流道特征，以便更好地展示流-固-氣之間的耦合關(guān)系。氣流輸入方式如圖3所示。

圖2 氣體擴(kuò)散層建模

圖3 氣流輸入方式

1.2 氣-液控制方程

擴(kuò)散層中水的生成速率與電流正相關(guān)。低電流時(shí)，產(chǎn)水量較小，水以水蒸氣形式存在，在水蒸氣壓力未達(dá)到飽和蒸氣壓時(shí)，不存在液態(tài)水，此時(shí)發(fā)生“水淹”的可能性較小。隨著電流增大，產(chǎn)水量逐漸增大，水蒸氣達(dá)到飽和，就會(huì)析出液態(tài)水，此時(shí)擴(kuò)散層內(nèi)是氣態(tài)水和液態(tài)水兩相共存。其中，氣態(tài)水以擴(kuò)散的方式排出；而液態(tài)水首先在催化層中聚集，隨著水分的累積，會(huì)在孔隙中形成一定水壓，當(dāng)水壓超過氣壓，水分就通過毛細(xì)壓力在擴(kuò)散層中傳輸。為便于計(jì)算，在此不考慮氣態(tài)水?dāng)U散以及水向質(zhì)子膜的滲透。

故水輸運(yùn)控制方程為：

水相體積分?jǐn)?shù)約束條件為：

補(bǔ)充Darcy定律(3)和毛細(xì)壓力方程(4)，描述水相動(dòng)力狀態(tài)：

通過N-S方程描述氣流在孔隙中的運(yùn)動(dòng)：

由式(6)和(7)計(jì)算空氣輸入量與生成的水量：

式中：下標(biāo)l和g分別代表水和氣流，ρl、ρg、ul、ug、μl、μg分別為溫度T（75、80、85、90、95）℃條件下的水和氣流的密度、擴(kuò)散速度和運(yùn)動(dòng)粘度；αl為水的體積分?jǐn)?shù)；Sαl為源相；n方程隱式或顯式求解時(shí)的時(shí)間步長；為氣相到水相傳質(zhì)，為水相到氣相傳質(zhì)；δ、γ、θ為水的滲透率、表面張力和接觸角；φ、A、d為擴(kuò)散層孔隙率、面積和寬度；pl、pg表示水和氣流的壓力，Δp表示氣體擴(kuò)散層兩側(cè)壓力差；g為重力加速度；Vair-in、Vmol為空氣輸入體積流量和空氣摩爾體積，xo2、λ為氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)和過氧比，N、I為電池?cái)?shù)量和電流，F(xiàn)為法拉第常數(shù)；Vwater-out、Vair-cata為反應(yīng)中生成水的體積和緊鄰催化層側(cè)擴(kuò)散層處空氣體積。

2 擴(kuò)散層輸水性分析

2.1 仿真方案

為更全面顯示氣流對輸水性的影響，構(gòu)建不同孔隙率和纖維形態(tài)擴(kuò)散層模型，設(shè)置氣流連續(xù)均壓、間隔均壓及間隔降壓三種輸入模式，制定仿真方案如表1所示。

表1 仿真方案

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過Workbench二次開發(fā)求解模型方程，80℃時(shí)2秒內(nèi)水的輸運(yùn)狀態(tài)仿真結(jié)果如圖4～6所示。其中，白色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散層纖維結(jié)構(gòu)剖面；藍(lán)色區(qū)域?yàn)闅怏w流通范圍；其余彩色區(qū)域?yàn)樗妮斶\(yùn)范圍，彩色區(qū)域越大，代表水?dāng)U散的范圍越大，且從“綠色-黃色-紅色”代表水的聚積程度越大。氣流輸入模式與水?dāng)U散距離的關(guān)系如圖7(a)～(d)所示。

圖4 孔隙率0.4氣體擴(kuò)散層輸水云圖

圖5 孔隙率0.6（細(xì)纖維）氣體擴(kuò)散層輸水云圖

圖6 孔隙率0.6（粗纖維）氣體擴(kuò)散層輸水云圖

圖7 氣體擴(kuò)散層輸水性能曲線

由圖4～6可見，不同孔隙率和纖維結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層存在一個(gè)水最先聚集區(qū)和最快輸運(yùn)路線，該集聚區(qū)和輸運(yùn)路線由擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)特性決定，基本不受外部氣流輸入模式影響；在相同時(shí)間內(nèi)，水的擴(kuò)散距離和輸運(yùn)面積（彩色區(qū)域）明顯增大，說明孔隙率對擴(kuò)散層輸水性具有較大影響，孔隙率越大水越易排出；相同孔隙率時(shí)，增大纖維尺寸或纖維間距可提升水的排出。圖7(a)～(c)表明，氣流壓力對輸水性影響較小，而增大進(jìn)氣間隔有助于增進(jìn)排水；尤其對于小孔隙率擴(kuò)散層，應(yīng)采用較大間隔進(jìn)氣方式才能使水排出。圖7(d)顯示溫度升高，有利于水的排出。因?yàn)殡S溫度的上升，水的運(yùn)動(dòng)粘度降低、擴(kuò)散速度增大、密度基本不變，而空氣的運(yùn)動(dòng)粘度和擴(kuò)散速度均增大、密度減小。此時(shí)纖維對空氣的吸附阻滯增強(qiáng)，氣流壓力下降，對水的阻礙作用減弱，而水受到的摩擦阻滯降低，擴(kuò)散性增強(qiáng)，導(dǎo)致高溫時(shí)水在擴(kuò)散層中更易擴(kuò)散。

2.3 原因分析

為進(jìn)一步剖析產(chǎn)生上述情況的原因，如圖8所示，基于流場模擬研究擴(kuò)散層纖維結(jié)構(gòu)特征對氣流分布和水輸運(yùn)的影響。其中，白色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散層纖維結(jié)構(gòu)剖面；藍(lán)色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散層流道范圍；彩色區(qū)域?yàn)闅怏w的流動(dòng)路徑，且從“綠色-黃色-紅色”代表氣體分布的流速增大。

圖8 擴(kuò)散層內(nèi)氣流分布

圖8(a)和(b)顯示，纖維尺寸和間距減小，氣流在纖維之間即擴(kuò)散層流道內(nèi)分布更加均勻流暢。在擴(kuò)散層右端幾乎所有孔隙都形成了穩(wěn)定的流量和壓力，對水的排出路徑形成較嚴(yán)密的封堵，致使水不易排出。纖維尺寸和間距較大時(shí)，孔隙間易出現(xiàn)空穴(A點(diǎn))、湍流(B點(diǎn))及渦流(C點(diǎn))?？昭ㄓ欣谒募鄄⑿纬奢^大水壓，湍流和渦流導(dǎo)致流道內(nèi)壓力不均，導(dǎo)致較多低壓區(qū)，有利于排水通道的形成。圖8(c)和(d)顯示，氣流間隔輸入對大孔隙擴(kuò)散層氣流分布影響不大，但可以在小孔隙擴(kuò)散層內(nèi)形成較多空穴、湍流及低壓區(qū)，易于水排出。

3 結(jié)論

綜上分析可見：增大氣流輸入間隔、減小氣流壓力和提升氣流溫度均可優(yōu)化擴(kuò)散層排水，但增大氣流輸入間隔更有利于水在擴(kuò)散層內(nèi)的輸運(yùn)，且氣流在較小壓力下的間隔輸入對于較小孔隙率擴(kuò)散層輸水效果的提升尤為明顯。這是由于間隔輸入改善了氣流在擴(kuò)散層中的分布，利于在纖維結(jié)構(gòu)之間形成較大空隙的水輸運(yùn)通道，有助于水的排出；而減小壓力或提升溫度可降低氣流對水的阻力，從而增進(jìn)排水。因此，氣流的輸入間隔、壓力和溫度的合理匹配是提升擴(kuò)散層輸水性能的有效方法。