基于格子Boltzmann方法的燃料電池多相傳輸現(xiàn)象研究.pdf

1、燃料電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能源動力裝置，具有效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，被認為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的可持續(xù)利用清潔能源裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池為代表的燃料電池技術(shù)表現(xiàn)出巨大的商業(yè)應(yīng)用價值，吸引了眾多研究人員的關(guān)注和興趣。從最新的研究情況看，雖然質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)正在趨于成熟，但仍有許多關(guān)鍵問題急需解決，成為制約其大規(guī)模商業(yè)化的重要因素。本論文著眼于質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理問題，針對目前實驗技術(shù)無法達到的區(qū)域，基于格子Bo

2、ltzmann數(shù)值計算方法，開發(fā)了一套可以實時動態(tài)分析和模擬質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部多相多組分流動的計算程序，系統(tǒng)分析了質(zhì)子交換膜燃料電池中液態(tài)水的傳輸現(xiàn)象。具體研究內(nèi)容包括以下幾個部分:
　　第一，充分認識液態(tài)水在氣體擴散層和微孔層內(nèi)部的傳輸過程對質(zhì)子交換膜燃料電池的水平衡管理，避免水淹引起的性能下降至關(guān)重要。本文通過數(shù)值重構(gòu)GDL-MPL多孔介質(zhì)模型，采用格子Boltzmann方法兩相流動模型研究了液態(tài)水在GDL-MPL模型中的

3、傳輸機理、微觀孔隙結(jié)構(gòu)對水傳輸?shù)挠绊?，詳細分析了氣體擴散層內(nèi)部水傳輸現(xiàn)象，微孔層存在對水管理的作用，以及氣體擴散層、微孔層以及兩者交界面中存在不同裂縫時對水傳輸?shù)挠绊憽Ｑ芯拷Y(jié)果表明:多孔介質(zhì)內(nèi)部水傳輸主要受毛細力控制;微孔層可以有效控制液態(tài)水回流，緩解水淹電極的情況;GDL-MPL模型內(nèi)部存在裂縫對水飽和度有顯著影響。
　　第二，質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的液態(tài)水經(jīng)毛細力作用通過多孔氣體擴散層后，最終會以液滴的形式出現(xiàn)在擴

4、散層表面。研究與氣體擴散層界面相關(guān)的氣液兩相傳輸現(xiàn)象是分析質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部反應(yīng)物輸送和水管理的重要內(nèi)容。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型，對氣體擴散層與氣道交界面上的氣液兩相傳輸問題進行了研究，詳細探討了不同孔隙間距、微通道氣體速度大小、不同孔隙直徑以及擴散層表面潤濕特性對液滴形成和動態(tài)特性的影響。研究結(jié)果表明:增大孔隙間距和氣體流速，采用疏水性表面可以減少液滴之間的相互作用，提高液態(tài)水排出效率。模擬結(jié)果為深入理解氣

5、體擴散層界面水傳遞機制提供了參考。
　　第三，液態(tài)水經(jīng)氣體擴散層表面脫落后進入氣體流道。針對液態(tài)水在氣道中的有效排出雖然已開展了大量的研究工作，但仍有許多問題有待深入理解，特別是水在流道內(nèi)的具體傳遞過程。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型模擬了不同形狀氣體流道內(nèi)水滴的傳遞現(xiàn)象。研究結(jié)果表明:對于直角型氣道，水滴最終都附著在氣道壁面上，很難從氣道內(nèi)排出;而對于U-型氣道，水滴的傳輸特性有很大改善，氣體流道內(nèi)的水滴較容易排

6、出，特別是當(dāng)提高氣體流速以及表面接觸角時效果更明顯。
　　最后，由于質(zhì)子交換膜燃料電池催化層內(nèi)部傳輸特性復(fù)雜，目前對其孔隙尺度傳輸現(xiàn)象的研究報道較少。本文將二維多相多組分格子Boltzmann模型成功拓展到三維，參考催化層真實微觀結(jié)構(gòu)，并對其進行了一定的簡化處理，數(shù)值重構(gòu)了催化層三維多孔結(jié)構(gòu);采用三維格子Boltzmann多相多組分模型對催化層傳輸特性進行了初步模擬分析。研究結(jié)果表明:多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)對催化層傳輸特性有顯著影響。<