气体通道中梯度接触角设计对质子交换膜燃料电池排水性能的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Influence of gradient contact angle design in gas channels on the drainage performance of proton exchange membrane fuel cells

气通道接触角梯度设计通过线性递减的润湿角加速液滴排出，水平集法模拟表明梯度范围或多级配置可显著缩短排水时间而不增加压降，同时分析水滴尺寸和气流速度的影响，揭示接触角梯度与气流速度的协同效应可降低24%以上的排水时间。

　　

梅崇业|连玉涛|郑伟波|王珏|李冰|明平文

同济大学汽车工程学院，上海，201804，中国

摘要

气体通道（GCs）对质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的水管理至关重要，直接影响整体效率。本研究提出了一种新型阴极GC设计，其壁面接触角从入口到出口呈线性减小，以增强水滴的排出效果。采用水平集（LS）方法模拟了水滴的动态行为。结果表明，接触角梯度的存在显著加速了水滴的排出。增加润湿性变化范围或采用多级配置可以大幅缩短排水时间，而压力损失几乎保持不变。研究还考察了水滴大小和气流速度的影响。水滴大小决定了主要的去除机制：小水滴（半径<0.15毫米）主要受升力作用，而大水滴则通过阻塞增强的剪切力被去除。此外，气流速度和接触角梯度具有很强的协同作用：在典型操作条件下（≥1.0米/秒），它们的共同作用使排水时间减少了24%以上，且不会增加流动阻力。这项工作为PEMFC的GC提供了一种新的润湿性设计策略，实现了高效的水管理，同时不牺牲压力损失。

引言

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）由于其高效率和零排放特性，是交通运输、便携式电源和分布式能源系统中最有前景的技术之一[[1], [2], [3]]。然而，其广泛商业化受到内部水管理的极大限制。一方面，膜电解质的充分水合对于维持高质子导电性至关重要；另一方面，如果液体水不能有效去除，会积聚并阻塞气体扩散层（GDL）和气体通道（GC），从而阻碍反应气体向活性部位的传输，导致性能显著下降和不稳定[[4], [5], [6]]。

鉴于这一关键挑战，嵌入在双极板中的GCs起着决定性作用。它们的双重功能是分配反应气体和排出液体水[7,8]。理想的GC设计必须确保高效的水去除，以防止积水，同时保持足够低的压力损失，以避免过度的寄生功率损失。解决这一权衡的研究主要集中在两种策略上：优化操作条件和创新通道几何形状。

关键操作参数，包括温度、入口流速和湿度、相对于重力的方向以及阳极和阴极之间的差异，显著影响GC的水去除效率。Ferreira等人[9]应用水平集（LS）方法模拟了阳极两相流动，发现提高操作温度可以降低液体水的表面张力，从而缩短排出时间并减小临界水滴尺寸。他们的发现与Hirpara等人的实验结果[10]以及Jiang等人的格子玻尔兹曼（LBM）模拟结果一致。Ferreira等人还报告称，虽然较高的入口流速可以加速排水，但同时也会增加压力损失。Hou等人[12]分析了氢气湿度（0–90% RH）对去除效率的影响，表明较高的湿度水平由于增加了入口处的气体速度和密度而增强了水去除效果。在方向方面，Theodorakakos等人[13]观察到圆形水滴在GDL表面的初始形状受重力影响可以忽略不计，而Lu等人[14]认为对于细长水滴或超过通道尺寸的水滴，重力变得显著。此外，Mohammadzadeh等人[15]比较了阳极和阴极GC壁上的液体水含量，指出阳极液体水对操作参数（如相对湿度、温度和氢气化学计量比）更为敏感。

同时，大量研究集中在优化通道几何形状上——包括形状、大小和内部特征——以提高排水效率。Bachman等人[16]通过可视化实验表明，GC长度对排水效率和泵送损失之间的平衡有重要影响。Owejan等人[17]通过中子成像比较了不同横截面GC中的水分保留情况，发现三角形几何形状在减少水分积聚方面具有优势。Lei等人[18]提出圆锥形和倾斜结构可以提高水滴传输效率。Liao等人[19]发现沿流动方向的通道曲率可以增强水滴脱落。Chen等人[20]观察到具有阵列微突起的疏水结构可以显著增加水滴速度。Wang等人[21]通过VOF模拟确认了挡板高度和数量对水滴排出的显著影响。对于蛇形流场，Jiao等人[22]和Quan等人[23]发现通道角处的气液相互作用会在U形区域和下游直线部分产生二次流动，影响水传输。Liu等人[24]提出了一种改进的蛇形GC，其120°倾斜转弯的设计比标准设计具有更好的排水性能。Li等人[25]设计了一个3D流场，对水滴施加了更大的驱动力，并通过水滴动力学分析评估了其排水性能。Huang等人[26]提出了一种受人类肠系膜动脉启发的仿生流场；该设计减少了水滴停留时间，同时提高了燃料电池的整体性能和散热效果。

除了这些宏观结构修改外，GC壁的微观润湿性作为一种有前景的表面工程策略也得到了关注，因为它可以直接调节水传输行为，同时对流动阻力的影响最小。Yang等人[[27], [28], [29], [30], [31]]展示了随机重构的GDL结构对气体通道中两相流动模式演变的影响。Andersson等人[32]研究了通道壁和GDL表面的润湿性，发现其对两相流动模式有显著影响。Ding等人[33]确认虽然疏水GDL表面有助于排水，但也增加了压力损失。然而，传统方法通常假设壁面润湿性是均匀的，这种静态范式需要在排水效率和压力损失之间进行权衡。

最近，具有空间接触角梯度的表面在平面基底上精确操控水滴方面展现了巨大潜力。自从Chaudhury等人[34]首次观察到梯度诱导的水滴自推进现象以来，这一领域得到了显著发展。Ito等人[35]制造了具有梯度接触角的基底，并确认水滴移动速度与表面接触角梯度呈单调关系。Huang等人[36]通过数值研究验证了润湿性阶跃变化对平坦表面上液体水传输的显著影响。在PEMFC应用中，Malhotra等人[37]在蛇形GDL表面上实现了顺流接触角梯度——从亲水变为疏水——有效减少了水覆盖和压力损失。类似地，Liao等人[38]比较了五种润湿配置下的流动行为，发现从140°到100°的连续梯度能够获得最佳的排水效率。尽管这些研究突出了接触角梯度的好处，但它们主要关注GDL。然而，在实际的PEMFC操作中，液体水更倾向于在气体通道（GC）的固体壁上积聚，而不是在高疏水的GDL上。尽管如此，专门研究接触角梯度在GC壁上应用以增强排水效果的研究仍然很少。关键的是，关于这些壁梯度如何与对流气流相互作用以控制水滴动力学（如变形、破碎及其对整体排水效率的影响）的全面定量分析仍然缺乏，需要系统性的研究。

为了进一步阐明潜在的传输机制，本研究系统地研究了阴极GC壁接触角梯度对水滴排出行为的动态影响。建立了一个具有顺流壁接触角梯度的PEMFC GC模型，并采用LS方法来研究梯度幅度、配置、水滴大小和气流速度对水滴动力学的耦合效应。这项研究旨在为设计高效、低阻力的燃料电池GC提供理论指导和技术支持。

计算域和假设

开发了一个三维瞬态气液两相流动模型，用于模拟PEMFC阴极GC中的水滴动力学。如图1所示，计算域由一个尺寸为0.4毫米（宽度）× 1毫米（高度）× 10毫米（长度）的矩形流通道组成[39]。顶部壁代表疏水GDL，而侧面和底部表面代表通道壁。重力加速度矢量垂直向上指向

结果与讨论

本节系统研究了具有接触角梯度的PEMFC GC中的水滴去除动力学。分析了关键参数的影响，包括接触角梯度的幅度和配置、水滴半径和气流速度，特别强调了它们的耦合机制。研究结果为设计高性能GC提供了理论指导。

结论

本研究采用LS方法研究了一种新型GC设计，该设计具有顺流壁接触角梯度，旨在增强PEMFC阴极的水滴排出效果。系统分析了四个关键参数的影响和潜在机制，包括接触角梯度幅度、梯度配置、水滴半径和气流速度。研究结果总结如下。

(1)

接触角梯度设计显著提高了排水性能。

作者贡献声明

梅崇业：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、概念化。连玉涛：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。郑伟波：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。王珏：监督、资金获取、概念化。李冰：监督、概念化。明平文：监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

该项目得到了国家重点研发计划（编号2023YFB4005802）和国家自然科学基金（编号52276210和52106255）的支持。