燃料电池气体扩散层纤维孔隙特性对液态水传输的影响分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.07.013

摘要/Abstract

摘要：

质子交换膜燃料电池气体扩散层（GDL）内部纤维孔隙特性对GDL液态水传递能力，以至电池的性能和寿命都有重要影响。本文中基于流体体积法建立了能捕捉液态水穿过GDL纤维孔隙运动行为的气液两相模型，分析了GDL纤维的孔隙率、形状、间距纵横比和接触角对GDL内液态水传递的影响。结果表明，GDL纤维间距的纵横比通过影响横、纵向的毛细力来决定液态水的运动方向，沿纵向增大接触角能加速液态水的爬升，从而明显提升GDL的排水能力。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 气体扩散层, 流体体积法, 液态水传输

Abstract:

The characteristics of the fiber pores inside the gas diffusion layer （GDL） of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） have significant effects on the liquid water transmission capability， and even the performance and service life of the fuel cell. In this paper， a gas-liquid two-phase model， which can capture the moving behavior of liquid water through the fiber pores of GDL， is established based on the fluid volume method， and the effects of the pore fraction， the cross section shape， the ratio of longitudinal spacing over lateral spacing of fibers and contact angle on the liquid water transmission capability inside GDL are analyzed. The results show that the ratio of longitudinal spacing over lateral spacing of fiber decides the moving direction of liquid water through its effects on the longitudinal and lateral capillary force， and the increase of contact angle along longitudinal direction can accelerate the climbing of liquid water， hence significantly enhancing the water drainage capacity of GDL.

Key words: PEMFC, gas diffusion layer, fluid volume method, liquid water transmission

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图/表 23

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表2

不同GDL孔隙率和纤维形状下的结构与液态水变化信息汇总"

纤维形状	$ε$	纤维横向间距/mm	纤维纵向间距/mm	$β$ /%	是否横向扩散	$δ m a x$ /%	峰值时间/ms	$δ m i n$ /%	谷值时间/ms	排水时间/ms
圆形	0.6	0.106 0	0.050	47.17	否	13.905	5.0	9.041	5.9	0.9
	0.7	0.106 0	0.133	125.47	是	39.124	15.6	31.517	16.9	1.3
	0.8	0.106 0	0.300	283.02	是	43.756	17.7	36.035	18.7	1.0
正六边形	0.6	0.142 1	0.022	15.48	否	18.011	6.6	8.296	7.9	1.3
	0.7	0.204 1	0.050	24.50	否	16.646	6.4	6.288	6.8	0.4
	0.8	0.243 1	0.133	54.71	否	14.309	5.7	4.143	6.3	0.6
正方形	0.6	0.146 0	0.090	61.64	否	12.095	4.4	2.179	6.1	1.7
	0.7	0.125 0	0.200	160.00	是	33.769	13.3	29.817	13.9	0.6
	0.8	0.272 0	0.200	73.53	否	13.025	5.2	6.510	5.7	0.5

表2

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参考文献 13

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