质子交换膜燃料电池阴极扩散层厚度方向液态水传输的格子－Boltzmann方法模拟

摘要

质子交换膜燃料电池阴极扩散层中分布的液态水会阻碍反应气体从气体通道向催化层传递，从而引起反应气体的传质损失，降低了质子交换膜燃料电池的性能。从微观尺度上研究液态水在阴极扩散层的传输机理和分布非常重要。本文利用格子－Boltzmann方法，从微观尺度上模拟了阴极扩散层中液态水在扩散层厚度方向的传输过程。利用阴极扩散层的统计信息，重建了阴极扩散层的三维结构，得到了模拟需要的阴极扩散层厚度方向的二维截面。分析了无量纲参数Ca、Bo 和Re，验证了所采用的多相格子－Boltzmann方法的适用性。利用文献普遍采用的经典物理问题验证了本文所开发程序的正确性，并得到了多相格子－Boltzmann模型中所需要的无量纲物理参数。最后利用所开发的程序模拟了憎水阴极扩散层和憎水－亲水混合阴极扩散层中液态水的传输过程。模拟的结果表明，液态水在憎水阴极扩散层中的传输过程中，毛细力占主导地位，液态水的传输机理是毛细指进；扩散层的孔隙分布对水的传递影响巨大，液态水选择性地优先通过相对较大的孔隙。在憎水－亲水混合阴极扩散层中，本文首先将计算区域中孔隙较大的区域处理为亲水，将孔隙较小的区域处理为憎水，模拟得到了其中液态水的分布情况。然后将计算区域中孔隙较大的区域处理为憎水，将孔隙较小的区域处理为亲水，模拟得到了其中液态水的分布情况。本文第一次发现，亲水－憎水混合阴极扩散层并不能保证减轻水淹现象、降低反应气体传质损失和提高质子交换膜燃料电池的性能。亲水性区域和憎水性区域的局部分布情况对液态水的分布影响巨大。不合理的亲水性区域和憎水性区域的局部分布甚至会加剧水淹现象，从而导致严重的反应气体传质损失。