基于格子Boltzmann方法的燃料电池多相传输现象研究

摘要

燃料电池是直接将化学能转化为电能的能源动力装置，具有效率高、环境友好等优点，被认为是极具发展潜力和应用前景的可持续利用清洁能源装置。以质子交换膜燃料电池为代表的燃料电池技术表现出巨大的商业应用价值，吸引了众多研究人员的关注和兴趣。从最新的研究情况看，虽然质子交换膜燃料电池技术正在趋于成熟，但仍有许多关键问题急需解决，成为制约其大规模商业化的重要因素。本论文着眼于质子交换膜燃料电池的水管理问题，针对目前实验技术无法达到的区域，基于格子Boltzmann数值计算方法，开发了一套可以实时动态分析和模拟质子交换膜燃料电池内部多相多组分流动的计算程序，系统分析了质子交换膜燃料电池中液态水的传输现象。具体研究内容包括以下几个部分:
　　第一，充分认识液态水在气体扩散层和微孔层内部的传输过程对质子交换膜燃料电池的水平衡管理，避免水淹引起的性能下降至关重要。本文通过数值重构GDL-MPL多孔介质模型，采用格子Boltzmann方法两相流动模型研究了液态水在GDL-MPL模型中的传输机理、微观孔隙结构对水传输的影响，详细分析了气体扩散层内部水传输现象，微孔层存在对水管理的作用，以及气体扩散层、微孔层以及两者交界面中存在不同裂缝时对水传输的影响。研究结果表明:多孔介质内部水传输主要受毛细力控制;微孔层可以有效控制液态水回流，缓解水淹电极的情况;GDL-MPL模型内部存在裂缝对水饱和度有显著影响。
　　第二，质子交换膜燃料电池电化学反应所产生的液态水经毛细力作用通过多孔气体扩散层后，最终会以液滴的形式出现在扩散层表面。研究与气体扩散层界面相关的气液两相传输现象是分析质子交换膜燃料电池内部反应物输送和水管理的重要内容。本文采用格子Boltzmann方法两相流动模型，对气体扩散层与气道交界面上的气液两相传输问题进行了研究，详细探讨了不同孔隙间距、微通道气体速度大小、不同孔隙直径以及扩散层表面润湿特性对液滴形成和动态特性的影响。研究结果表明:增大孔隙间距和气体流速，采用疏水性表面可以减少液滴之间的相互作用，提高液态水排出效率。模拟结果为深入理解气体扩散层界面水传递机制提供了参考。
　　第三，液态水经气体扩散层表面脱落后进入气体流道。针对液态水在气道中的有效排出虽然已开展了大量的研究工作，但仍有许多问题有待深入理解，特别是水在流道内的具体传递过程。本文采用格子Boltzmann方法两相流动模型模拟了不同形状气体流道内水滴的传递现象。研究结果表明:对于直角型气道，水滴最终都附着在气道壁面上，很难从气道内排出;而对于U-型气道，水滴的传输特性有很大改善，气体流道内的水滴较容易排出，特别是当提高气体流速以及表面接触角时效果更明显。
　　最后，由于质子交换膜燃料电池催化层内部传输特性复杂，目前对其孔隙尺度传输现象的研究报道较少。本文将二维多相多组分格子Boltzmann模型成功拓展到三维，参考催化层真实微观结构，并对其进行了一定的简化处理，数值重构了催化层三维多孔结构;采用三维格子Boltzmann多相多组分模型对催化层传输特性进行了初步模拟分析。研究结果表明:多孔介质微观结构对催化层传输特性有显著影响。
　　本文针对质子交换膜燃料电池水管理问题，从孔隙尺度上系统研究了气体扩散层、微孔层、气体扩散层表面、气体流道、催化层内部流动过程，揭示了其传输机理，研究结果为改善质子交换膜燃料电池水管理技术提供了有力的分析手段和理论基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及燃料电池技术概述

1．1．1 燃料电池简史和基本原理

1．1．2 燃料电池分类及其发展现状

1．2 质子交换膜燃料电池水管理研究综述

1．2．1 问题的提出

1．2．2 气体扩散层中两相传输研究

1．2．3 气体流道中两相传输研究

1．3 本文研究内容及意义

1．4 本章小结

2 数值计算模型

2．1 格子Boltzmann方法概述

2．2 宏观流动基本方程

2．3 格子Boltzmann基本模型推导

2．3．1 格子Boltzmann方程

2．3．2 格子Boltzmann速度模型

2．3．3 基本边界处理

2．3．4 多组分多相流动模型

2．4 计算模型验证

2．4．1 顶盖驱动流

2．4．2 微孔流动

2．4．3 两相分离

2．4．4 两组分混合

2．5 本章小结

3 气体扩散层和微孔层内两相传输模拟

3．1 引言

3．2 计算模型

3．2．1 多孔介质两相格子Boltzmann模型

3．2．2 GDL-MPL多孔介质模型

3．3 结果分析

3．3．1 MPL对GDL液态水传输的影响

3．3．2 裂缝对GDL和MPL内液态水传输的影响

3．4 本章小结

4 气体扩散层表面液滴动态特性模拟

4．1 引言

4．2 计算模型

4．3 结果分析

4．3．1 孔隙间距的影响

4．3．2 气体流速的影响

4．3．3 孔隙大小的影响

4．3．4 表面润湿特性的影响

4．4 本章小结

5 气体流道内液滴动态特性模拟

5．1 引言

5．2 计算模型

5．2．1 物理模型

5．2．2 网格独立性分析

5．3 结果分析

5．3．1 直角型气道的模拟

5．3．2 U-型气道的模拟

5．3．3 多个液滴的模拟

5．4 本章小结

6 三维复杂多孔结构多相多组分传输特性模拟

6．1 引言

6．2 催化层及其多孔结构重构

6．2．1 催化层传输特点分析

6．2．2 催化层多孔结构数值重构

6．3 三维格子Boltzmann模型

6．3．1 计算模型

6．3．2 三维两相分离

6．3．3 三维组分混合

6．4 三维多孔结构内传输特性模拟

6．4．1 气液两相传输模拟

6．4．2 两组分传输模拟

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．1．1 气体扩散层和微孔层内两相传输模拟

7．1．2 气体扩散层表面液滴动态特性模拟

7．1．3 气体流道内液滴动态特性模拟

7．1．4 多孔结构内多相多组分动态传输特性模拟

7．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历

攻读博士期间主要研究成果