524 / 2023-03-15 16:37:20

质子交换膜燃料电池表面功能微结构对气液两相摩擦传质影响

表面微结构,两相流

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)高功率、高电流密度的发展趋势对其内部气液两相流动特性及电化学性能提出了更高的要求。气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)、流道及质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)作为PEMFC水气输运及电化学反应的直接载体，传统的宏观结构设计已逐渐难以满足燃料电池性能提升的需求。因此，本文将PEMFC关键组件表面结构的研究拓展到微米尺度，以气液两相流动特性和电化学性能的调控为目标，以关键组件表面功能微结构的优化设计为抓手，以激光微加工技术为手段，提出PEMFC关键组件表面功能微结构设计新思路，通过可视化试验与数值计算相结合的方法，明晰功能微结构设计参数与PEMFC气液两相流动和电化学特性的映射关系，为新一代高效高可靠PEMFC的自主开发奠定理论基础和科学依据。

本文的主要研究内容如下：

1.  针对GDL快速输水排气的需求，设计出孔径大于碳纤维直径的微米尺度微孔功能结构，为水气快速通过GDL提供通道，利用飞秒超快激光加工技术在GDL表面分别加工出盲孔和通孔结构，通孔直径为102.34μm，盲孔直径为93.22μm，盲孔深度为84μm未加工GDL表面、通孔GDL表面和盲孔GDL表面接触角分别为125°、128°和130°。针对流道减阻排水和调控压降的需求，基于荷叶状微凸起减阻疏水原理，设计出流道表面微凸起疏水结构，利用毫秒激光毛化加工技术在流道表面加工出规则分布的微米尺度微凸起结构，凸起高度为194 μm，凸起直径为286 μm，相邻两凸起之间的间距为86 μm，在同样进行表面疏水处理的情况下，未加工流道表面接触角为115°，微凸起流道表面接触角为132°。


2.  依据PEMFC内液态水突破GDL的原理，搭建GDL液体水流动试验台，通过可视化试验手段观测微孔结构对GDL液态水传输特性的影响。试验结果表明：微孔GDL液态水传输速度明显快于未加工GDL，且通孔GDL水传输速度快于盲孔GDL。建立GDL三维多孔两相流动模型，进一步研究微孔形貌参数变化对液态水传输的影响规律，结果表明：通孔GDL水传输速度和液态水饱和度相较于盲孔GDL均有明显提高，微孔数目越多，尺寸越大，调控水传输效果越明显。


3.  根据PEMFC内双极板流道水气传输特性搭建流道水气两相流动可视化试验台，分别在不同进气压力和不同进水流量的条件下验证了流道表面微凸起结构加快液态水传输的效果。建立微凸起流道水气两相流动三维模型，探究不同高度、半径和间距的微凸起结构对流道中液滴流动特性的影响，数值计算结果发现微凸起流道液滴流动速度明显快于传统流道，且微凸起高度变化对液态水流动影响最明显，高度越高，液态水流动速度越快，最大压降值也越大，合适高度的微结构能有效降低微结构流道上壁面的水覆盖率；微结构半径和间距对液态水流动有一定的影响，但相较高度变化影响并不显著。此外，在GDL侧流道设计微孔结构，研究不同深度、半径和间距的微孔GDL流道对液态水传输的影响。结果表明：微孔深度对液态水流动影响最明显，随着深度增加，液滴在微孔GDL流道中的运动速度逐渐加快，且压降峰值有增大的趋势。微孔半径和间距对液态水流动有一定影响，但相较深度变化影响并不明显。


4.  建立PEMFC单电池模型，在质子交换膜表面设计规则分布的微孔和微凸起结构，研究PEM表面微结构形貌、参数对PEMFC内部水气分布和电化学特性的影响。结果表明：表面功能微结构对燃料电池性能有较好的改善作用，相比于凸起结构，微孔结构的效果更佳；随着微孔半径的增大，微孔的储水能力变强，PEM表面的水含量也逐渐增多，同时膜表面反应面积也逐渐增大，从而使得反应效率提高；PEM表面微孔间距对阴极侧的H₂O和O₂含量变化影响较小，但是微孔间距越小，催化剂层的平均电流密度越大。


5.  基于PEMFC单电池模型，研究GDL和流道表面功能微结构对PEMFC内部水气分布及电化学特性的影响。结果表明：与传统的GDL相比，微孔GDL表面含水量显著减少，微孔的存在大大增加了GDL的低含水量区域。不同的GDL微孔孔径主要影响阴极侧水含量和氧气含量，与深度和间距相比，孔径对电池极化曲线影响最为明显；不同的微孔深度主要影响GDL表面的液态水质量分数，随着微孔深度增加，GDL表面液态水质量分数呈现下降趋势，同时氧气质量分数呈现增长趋势；微孔间距主要影响GDL表面水质量分数和氧质量分数，对电化学性能影响不大。与不带有功能微结构的传统流道相比，微凸起流道对电池性能和阴极侧水氧含量分布有一定改善作用，但与在GDL以及质子交换膜表面设置微结构相比效果并不显著，主要原因是流道在PEMFC中并不直接参与反应。