液态水在PEM燃料电池扩散层中传输特性的数值模拟研究

摘要

在扩散层中的液态水对质子交换膜燃料电池的运行有着很显著的影响。特别是对于蛇形流道中有利于排水的平行于流道方向上的液态水侵入过程的研究还很少,这部分研究对进一步了解液态水的传输特性有着很重要的意义。
　　本文通过VOF方法来研究液态水在扩散层中的传输行为,其中所要研究的主要传输行为是在扩散层的微观结构中一种在平行于流道方向上被称为交叉流的、非定常的两相流的液态水侵入过程,这种流动主要是发生在有压力差的两个相邻流道间脊下面的扩散层中。此外,由于液态水的传输过程与扩散层材料表面的亲/疏水特性密切相关,本文还在纤维表面上设定了接触角,来考察其对液态水侵入过程的影响。因此,本文对于液态水的分布传输特性研究围绕不同的压力差和接触角进行了展开。
　　研究结果表明,较小的接触角或较大压力差都可以促进液态水在扩散层中的传输,并且发现在较大的压力差下接触角对液态水传输的影响减弱了,但是在稳定时刻下较大的压力差下的扩散层孔隙中液态水的平均体积分数会随着接触角的改变而变化。在固定的压差下,液态水的传输模式是随着时间的推进,逐渐从毛细指进传输模式转化为稳定传输模式。然而,由于较大毛细数的缘故,稳定时刻下液态水的传输模式一直保持为稳定传输模式。此外,另一方面,扩散层的不同结构导致了液态水在不同截面上的分布不同。这种分布的不均匀性可能是由流动在来流方向上遇到了死角或者是孔隙被疏水的纤维所包围着无法同外界进行质量交换所造成的。为了找出传统的排水过程与本文所研究的进水过程的区别,本文还模拟了排水过程来进行对比分析。通过对比分析得知,由于毛细压力在不同过程中起到不同的效果,导致排水过程要快于进水过程。最后,通过绘制液态水体积分数与压力差的曲线以及时间与压力差的曲线分别描述了进一步的液态水的侵入过程。
　　本文的工作对液态水的侵入过程的微观特性给出了详细地研究,为以后的液态水微观特性研究提供了基础并指明了研究方向。

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第一章 绪论

1.1质子交换膜燃料电池水管理的重要性

1.2液态水在扩散层各方向上的传输过程的研究背景

1.3扩散层微观结构中的水传输模型的介绍

1.4本文的工作

第二章 数值模型的建立

2.1模型计算域

2.2模型假设

2.3控制方程

2.4边界条件和初始条件

2.5离散方法

2.6收敛标准

2.7网格描述

2.8模型验证

2.9本章小结

第三章 压差对于液态水在扩散层中传输过程的影响

3.1液态水侵入过程分析

3.2液态水在扩散层中的传输方式

3.3压差与液态水平均体积分数、稳定时刻的关系研究

3.4本章小结

第四章 扩散层微观结构对液态水侵入过程的影响

4.1平行于流道的y方向上的结构对液态水侵入过程的影响

4.2垂直于流道方向上的结构对液态水侵入过程的影响

4.3本章小结

第五章 接触角对液态水侵入过程的影响

5.1不同接触角下液态水体积分数随时间变化趋势的对比分析

5.2不同接触角对液态水传输模式的影响

5.3本章小结

第六章 排水过程与进水过程

6.1排水过程与进水过程的对比分析

6.2不同压力差下排水过程与进水过程的对比分析

6.3不同接触角下排水过程与进水过程的对比分析

6.4本章小结

第七章 全文总结

7.1研究内容及结论

7.2本文的创新之处

7.3今后研究的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢