气流对氢燃料电池气体扩散层输水性影响分析

张含真，高清振，汪婧琳，潘道远

（安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000）

0 引言

气体扩散层(Gas diffusion layer,GDL)是氢燃料电池的主要部分，通常由碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及炭黑纸等组成。如图1所示，扩散层多孔隙蜂窝状结构建立了从集流板毫米尺度流道到催化层纳米尺度流道之间的桥梁，具有输气、传热、导电、输水等作用，对电池性能具有重要影响。

图1 气体扩散层

其中，阴极扩散层是空气/水共用流道，而当水无法排出时电池就会发生“水淹”，这也是扩散层面临的瓶颈问题之一[1]。目前，关于扩散层输水性的研究主要有：张恒[2]、熊牡[3]、刘青山[4]等采用建模仿真的方法研究了孔隙率对扩散层输水的影响；张礼斌[5]、Shengnan Liu[6]、Jaebong Sim[7]等基于数值计算和实验分析了扩散层流道结构与其排水性能的关系；王杰敏等[8]利用粗糙元和分形理论研究了扩散层粗糙度对其水输运的作用；姜珮等[9]通过弛豫时间分布阻抗方法分析了扩散层压缩率对其输水的影响；高凌峰等[10]通过综述对比论述了扩散层厚度对排水的作用；焦道宽[11]基于动网格数值模型探讨了振动对气体扩散层内部液态水传输行为的影响。本文将拓展扩散层输水性研究视角，联合多相流VOF方程、达西模型和N-S方程，更直观地展示气流参数、扩散层结构特征、微观水输运状态三者之间的耦合关系，为优化扩散层排水做出有益贡献。

1 扩散层内气-液输运模型

1.1 物理模型

以AVCarb公司EP40T疏水型碳纸为研究对象，借助分形法[12]构建扩散层三维模型。因三维模型在二维界面投影形状具有足以表征流道特征的相似性[13]，故如图2所示将三维模型在X-Z平面剖切后平行放大构建L×d尺寸气体扩散层流道特征，以便更好地展示流-固-气之间的耦合关系。气流输入方式如图3所示。

图2 气体扩散层建模

图3 气流输入方式

1.2 气-液控制方程

扩散层中水的生成速率与电流正相关。低电流时，产水量较小，水以水蒸气形式存在，在水蒸气压力未达到饱和蒸气压时，不存在液态水，此时发生“水淹”的可能性较小。随着电流增大，产水量逐渐增大，水蒸气达到饱和，就会析出液态水，此时扩散层内是气态水和液态水两相共存。其中，气态水以扩散的方式排出；而液态水首先在催化层中聚集，随着水分的累积，会在孔隙中形成一定水压，当水压超过气压，水分就通过毛细压力在扩散层中传输。为便于计算，在此不考虑气态水扩散以及水向质子膜的渗透。

故水输运控制方程为：

水相体积分数约束条件为：

补充Darcy定律(3)和毛细压力方程(4)，描述水相动力状态：

通过N-S方程描述气流在孔隙中的运动：

由式(6)和(7)计算空气输入量与生成的水量：

式中：下标l和g分别代表水和气流，ρl、ρg、ul、ug、μl、μg分别为温度T（75、80、85、90、95）℃条件下的水和气流的密度、扩散速度和运动粘度；αl为水的体积分数；Sαl为源相；n方程隐式或显式求解时的时间步长；为气相到水相传质，为水相到气相传质；δ、γ、θ为水的渗透率、表面张力和接触角；φ、A、d为扩散层孔隙率、面积和宽度；pl、pg表示水和气流的压力，Δp表示气体扩散层两侧压力差；g为重力加速度；Vair-in、Vmol为空气输入体积流量和空气摩尔体积，xo2、λ为氧气在空气中的体积分数和过氧比，N、I为电池数量和电流，F为法拉第常数；Vwater-out、Vair-cata为反应中生成水的体积和紧邻催化层侧扩散层处空气体积。

2 扩散层输水性分析

2.1 仿真方案

为更全面显示气流对输水性的影响，构建不同孔隙率和纤维形态扩散层模型，设置气流连续均压、间隔均压及间隔降压三种输入模式，制定仿真方案如表1所示。

表1 仿真方案

2.2 计算结果

通过Workbench二次开发求解模型方程，80℃时2秒内水的输运状态仿真结果如图4～6所示。其中，白色区域为扩散层纤维结构剖面；蓝色区域为气体流通范围；其余彩色区域为水的输运范围，彩色区域越大，代表水扩散的范围越大，且从“绿色-黄色-红色”代表水的聚积程度越大。气流输入模式与水扩散距离的关系如图7(a)～(d)所示。

图4 孔隙率0.4气体扩散层输水云图

图5 孔隙率0.6（细纤维）气体扩散层输水云图

图6 孔隙率0.6（粗纤维）气体扩散层输水云图

图7 气体扩散层输水性能曲线

由图4～6可见，不同孔隙率和纤维结构的扩散层存在一个水最先聚集区和最快输运路线，该集聚区和输运路线由扩散层结构特性决定，基本不受外部气流输入模式影响；在相同时间内，水的扩散距离和输运面积（彩色区域）明显增大，说明孔隙率对扩散层输水性具有较大影响，孔隙率越大水越易排出；相同孔隙率时，增大纤维尺寸或纤维间距可提升水的排出。图7(a)～(c)表明，气流压力对输水性影响较小，而增大进气间隔有助于增进排水；尤其对于小孔隙率扩散层，应采用较大间隔进气方式才能使水排出。图7(d)显示温度升高，有利于水的排出。因为随温度的上升，水的运动粘度降低、扩散速度增大、密度基本不变，而空气的运动粘度和扩散速度均增大、密度减小。此时纤维对空气的吸附阻滞增强，气流压力下降，对水的阻碍作用减弱，而水受到的摩擦阻滞降低，扩散性增强，导致高温时水在扩散层中更易扩散。

2.3 原因分析

为进一步剖析产生上述情况的原因，如图8所示，基于流场模拟研究扩散层纤维结构特征对气流分布和水输运的影响。其中，白色区域为扩散层纤维结构剖面；蓝色区域为扩散层流道范围；彩色区域为气体的流动路径，且从“绿色-黄色-红色”代表气体分布的流速增大。

图8 扩散层内气流分布

图8(a)和(b)显示，纤维尺寸和间距减小，气流在纤维之间即扩散层流道内分布更加均匀流畅。在扩散层右端几乎所有孔隙都形成了稳定的流量和压力，对水的排出路径形成较严密的封堵，致使水不易排出。纤维尺寸和间距较大时，孔隙间易出现空穴(A点)、湍流(B点)及涡流(C点)。空穴有利于水的集聚并形成较大水压，湍流和涡流导致流道内压力不均，导致较多低压区，有利于排水通道的形成。图8(c)和(d)显示，气流间隔输入对大孔隙扩散层气流分布影响不大，但可以在小孔隙扩散层内形成较多空穴、湍流及低压区，易于水排出。

3 结论

综上分析可见：增大气流输入间隔、减小气流压力和提升气流温度均可优化扩散层排水，但增大气流输入间隔更有利于水在扩散层内的输运，且气流在较小压力下的间隔输入对于较小孔隙率扩散层输水效果的提升尤为明显。这是由于间隔输入改善了气流在扩散层中的分布，利于在纤维结构之间形成较大空隙的水输运通道，有助于水的排出；而减小压力或提升温度可降低气流对水的阻力，从而增进排水。因此，气流的输入间隔、压力和温度的合理匹配是提升扩散层输水性能的有效方法。