一種新型流道對燃料電池氣體擴散層除水性能的模擬研究

李子君, 王樹博, 李微微, 謝曉峰, 朱 彤

(1. 東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 清華大學 核能與新能源技術研究院, 北京100084)

1 前 言

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)有著高效率、高功率密度、快速響應和零排放等優點。但是，目前還存在很多因素制約著PEMFC 的商業化，如成本、耐久性和冷啟動等，其中冷啟動能力依然是PEMFC 汽車應用的主要挑戰之一。前人大量研究表明在低于零度的條件下，如果人們在停車后沒有干凈地除去殘余液態水，PEMFC 的冷啟動性能和耐久性都會有所下降[1-6]，殘留在燃料電池內部的水由于結冰會阻止電池啟動，造成不可逆的損傷[7-9]。迄今為止對于PEMFC 掃氣除水這一問題，國內外相關研究還比較少，最簡單有效的方法就是運用空氣進行直接吹掃，能夠干凈地去除雙極板上流道中殘留的水分，但是，不能徹底去除擴散層的液態水[10-11]。膜內的殘余水在低溫下會對膜造成針孔式的損傷，如果不首先從擴散介質中去除殘留水，就不可能只從催化劑層或膜中去除水，因此，研究如何有效地去除氣體擴散層內部的水分非常重要。

本文基于傳統直形流道提出了一種新型的三維波形流道，建立了穩態數學模型。用COMSOL 仿真軟件模擬多孔介質中的兩相流以及傳質過程，通過引入飽和度的約束方程，研究擴散層內含水量以及去除率隨時間的變化，揭示吹掃過程中氣體擴散層內水分去除的機理，為冷啟動的研究奠定基礎。

2 數學模型

PEMFC 中的氣體擴散層起著氣體傳輸的作用，可看作多孔介質[10]。……