氣流對氫燃料電池氣體擴散層輸水性影響分析

張含真，高清振，汪婧琳，潘道遠

（安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

氣體擴散層(Gas diffusion layer,GDL)是氫燃料電池的主要部分，通常由碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等組成。如圖1所示，擴散層多孔隙蜂窩狀結構建立了從集流板毫米尺度流道到催化層納米尺度流道之間的橋梁，具有輸氣、傳熱、導電、輸水等作用，對電池性能具有重要影響。

圖1 氣體擴散層

其中，陰極擴散層是空氣/水共用流道，而當水無法排出時電池就會發生“水淹”，這也是擴散層面臨的瓶頸問題之一[1]。目前，關于擴散層輸水性的研究主要有：張恒[2]、熊牡[3]、劉青山[4]等采用建模仿真的方法研究了孔隙率對擴散層輸水的影響；張禮斌[5]、Shengnan Liu[6]、Jaebong Sim[7]等基于數值計算和實驗分析了擴散層流道結構與其排水性能的關系；王杰敏等[8]利用粗糙元和分形理論研究了擴散層粗糙度對其水輸運的作用；姜珮等[9]通過弛豫時間分布阻抗方法分析了擴散層壓縮率對其輸水的影響；高凌峰等[10]通過綜述對比論述了擴散層厚度對排水的作用；焦道寬[11]基于動網格數值模型探討了振動對氣體擴散層內部液態水傳輸行為的影響。本文將拓展擴散層輸水性研究視角，聯合多相流VOF方程、達西模型和N-S方程，更直觀地展示氣流參數、擴散層結構特征、微觀水輸運狀態三者之間的耦合關系，為優化擴散層排水做出有益貢獻。

1 擴散層內氣-液輸運模型

1.1 物理模型

以AVCarb公司EP40T疏水型碳紙為研究對象，借助分形法[12]構建擴散層三維模型。因三維模型在二維界面投影形狀具有足以表征流道特征的相似性[13]，故如圖2所示將三維模型在X-Z平面剖切后平行放大構建L×d尺寸氣體擴散層流道特征，以便更好地展示流-固-氣之間的耦合關系。氣流輸入方式如圖3所示。

圖2 氣體擴散層建模

圖3 氣流輸入方式

1.2 氣-液控制方程

擴散層中水的生成速率與電流正相關。低電流時，產水量較小，水以水蒸氣形式存在，在水蒸氣壓力未達到飽和蒸氣壓時，不存在液態水，此時發生“水淹”的可能性較小。隨著電流增大，產水量逐漸增大，水蒸氣達到飽和，就會析出液態水，此時擴散層內是氣態水和液態水兩相共存。其中，氣態水以擴散的方式排出；而液態水首先在催化層中聚集，隨著水分的累積，會在孔隙中形成一定水壓，當水壓超過氣壓，水分就通過毛細壓力在擴散層中傳輸。為便于計算，在此不考慮氣態水擴散以及水向質子膜的滲透。

故水輸運控制方程為：

水相體積分數約束條件為：

補充Darcy定律(3)和毛細壓力方程(4)，描述水相動力狀態：

通過N-S方程描述氣流在孔隙中的運動：

由式(6)和(7)計算空氣輸入量與生成的水量：

式中：下標l和g分別代表水和氣流，ρl、ρg、ul、ug、μl、μg分別為溫度T（75、80、85、90、95）℃條件下的水和氣流的密度、擴散速度和運動粘度；αl為水的體積分數；Sαl為源相；n方程隱式或顯式求解時的時間步長；為氣相到水相傳質，為水相到氣相傳質；δ、γ、θ為水的滲透率、表面張力和接觸角；φ、A、d為擴散層孔隙率、面積和寬度；pl、pg表示水和氣流的壓力，Δp表示氣體擴散層兩側壓力差；g為重力加速度；Vair-in、Vmol為空氣輸入體積流量和空氣摩爾體積，xo2、λ為氧氣在空氣中的體積分數和過氧比，N、I為電池數量和電流，F為法拉第常數；Vwater-out、Vair-cata為反應中生成水的體積和緊鄰催化層側擴散層處空氣體積。

2 擴散層輸水性分析

2.1 仿真方案

為更全面顯示氣流對輸水性的影響，構建不同孔隙率和纖維形態擴散層模型，設置氣流連續均壓、間隔均壓及間隔降壓三種輸入模式，制定仿真方案如表1所示。

表1 仿真方案

2.2 計算結果

通過Workbench二次開發求解模型方程，80℃時2秒內水的輸運狀態仿真結果如圖4～6所示。其中，白色區域為擴散層纖維結構剖面；藍色區域為氣體流通范圍；其余彩色區域為水的輸運范圍，彩色區域越大，代表水擴散的范圍越大，且從“綠色-黃色-紅色”代表水的聚積程度越大。氣流輸入模式與水擴散距離的關系如圖7(a)～(d)所示。

圖4 孔隙率0.4氣體擴散層輸水云圖

圖5 孔隙率0.6（細纖維）氣體擴散層輸水云圖

圖6 孔隙率0.6（粗纖維）氣體擴散層輸水云圖

圖7 氣體擴散層輸水性能曲線

由圖4～6可見，不同孔隙率和纖維結構的擴散層存在一個水最先聚集區和最快輸運路線，該集聚區和輸運路線由擴散層結構特性決定，基本不受外部氣流輸入模式影響；在相同時間內，水的擴散距離和輸運面積（彩色區域）明顯增大，說明孔隙率對擴散層輸水性具有較大影響，孔隙率越大水越易排出；相同孔隙率時，增大纖維尺寸或纖維間距可提升水的排出。圖7(a)～(c)表明，氣流壓力對輸水性影響較小，而增大進氣間隔有助于增進排水；尤其對于小孔隙率擴散層，應采用較大間隔進氣方式才能使水排出。圖7(d)顯示溫度升高，有利于水的排出。因為隨溫度的上升，水的運動粘度降低、擴散速度增大、密度基本不變，而空氣的運動粘度和擴散速度均增大、密度減小。此時纖維對空氣的吸附阻滯增強，氣流壓力下降，對水的阻礙作用減弱，而水受到的摩擦阻滯降低，擴散性增強，導致高溫時水在擴散層中更易擴散。

2.3 原因分析

為進一步剖析產生上述情況的原因，如圖8所示，基于流場模擬研究擴散層纖維結構特征對氣流分布和水輸運的影響。其中，白色區域為擴散層纖維結構剖面；藍色區域為擴散層流道范圍；彩色區域為氣體的流動路徑，且從“綠色-黃色-紅色”代表氣體分布的流速增大。

圖8 擴散層內氣流分布

圖8(a)和(b)顯示，纖維尺寸和間距減小，氣流在纖維之間即擴散層流道內分布更加均勻流暢。在擴散層右端幾乎所有孔隙都形成了穩定的流量和壓力，對水的排出路徑形成較嚴密的封堵，致使水不易排出。纖維尺寸和間距較大時，孔隙間易出現空穴(A點)、湍流(B點)及渦流(C點)。空穴有利于水的集聚并形成較大水壓，湍流和渦流導致流道內壓力不均，導致較多低壓區，有利于排水通道的形成。圖8(c)和(d)顯示，氣流間隔輸入對大孔隙擴散層氣流分布影響不大，但可以在小孔隙擴散層內形成較多空穴、湍流及低壓區，易于水排出。

3 結論

綜上分析可見：增大氣流輸入間隔、減小氣流壓力和提升氣流溫度均可優化擴散層排水，但增大氣流輸入間隔更有利于水在擴散層內的輸運，且氣流在較小壓力下的間隔輸入對于較小孔隙率擴散層輸水效果的提升尤為明顯。這是由于間隔輸入改善了氣流在擴散層中的分布，利于在纖維結構之間形成較大空隙的水輸運通道，有助于水的排出；而減小壓力或提升溫度可降低氣流對水的阻力，從而增進排水。因此，氣流的輸入間隔、壓力和溫度的合理匹配是提升擴散層輸水性能的有效方法。