基于VOF模型的PEMFC蛇形流道气液两相流动模拟

水管理是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)中需要解决的关键问题之一，本文建立了三维两相的数学模型，利用VOF方法研究蛇形流道内液态水的输运。分析了挡板形状对流道内气液两相流的影响，结果表明，波浪形挡板更有利于液态水的输运，相比于传统的蛇形通道，液态水具有更快的传输速率；还进一步分析了波浪形挡板通道内壁面接触角和液滴大小及数量对液态水输运的影响，结果表明，气体扩散层(GDL)壁面和通道底面接触角为150˚，流道侧壁面接触角为70˚时，除水效果最佳，可以使液滴脱离GDL，防止液滴堵塞，有利于反应物向GDL内扩散。

PEMFC 是氢气和氧气之间通过电化学反应产生电能的装置。

其功率密度高、低温启动和几乎零排放等特点使PEMFC 成为一种可行、清洁和高效的发电技术，被认为是汽车和备用电源中最有前途的零排放电源之一。但水管理仍是高性能PEMFC 面临的严峻挑战，由于PEMFC 的工作温度低于100℃，所以液态水是不可避免的，并且在高电流密度下，会产生更多的液态水，可能会堵塞CL (催化层)，增加反应物向催化层的传输阻力，造成浓度损失和高压降，从而导致燃料电池的性能变差[1] [2] [3] [4]。因此，流道内液态水的去除是提升燃料电池性能的关键。

然而，由于可视化技术的限制，目前的实验工作不能准确地再现运行中的PEMFC 流道中的两相流动，很难获得液态水体积分数和GDL (气体扩散层)水覆盖率等定量信息，所以许多研究者选择VOF 模型来研究PEMFC 流道内的两相流动特性，可以很好地捕捉相间分界面[5]。而且，Le 等[6]发现VOF 方法的模拟结果与实验结果吻合较好，证实了方法的可靠性。

Hou 等[7]和Ferreira 等[8]利用VOF 方法对低温PEMFC 的气液两相流进行了数值模拟，研究了阴、阳极通道内的除水过程，并进一步分析了壁面接触角对流道液态水去除的影响，结果表明疏水性壁面更有利于除水。Kang 等[9]采用具有多孔层的多相三维燃料电池阴极侧模型，对交叉型PEMFC 流场中的液态水注入过程进行了研究，结果表明，在这种阴极流道设计中，液态水去除过程可分为三个阶段，并且阴极还会出现液态水雪崩现象。Peng 等[10]采用VOF 模型跟踪动态气液界面，并对不同燃料电池运行条件下初始水相分布不同的五种情况进行了数值模拟。Song 等[11]对PEMFC 蛇形流道内液滴动力学进行了数值研究，结果表明，与通道壁面均是亲水或疏水的两种情况相比，在蛇形流道的直流道部分由亲水性通道壁和在转折部分的疏水性壁组成的混合流道可以提高除水效果。陈旺和蒋方明[12]运用FLUENT软件VOF 模块模拟了燃料电池气体扩散层表面液滴的形成、脱落及输运行为，结果表明，增大扩散层表面接触角或入口气流速度均可以促进扩散层表面液滴的跃离。Jo 等[13]采用VOF 方法模拟了液态水在通道转角处的输运特性，研究了GDL 表面与其他通道壁接触角对通道内液态水输运的影响。Qin 等[14]采用VOF 模型对通道中间有亲水板的流动通道的除水过程进行了数值研究，结果表明， 流道内的液滴可以