PEMFC碳紙氣體擴(kuò)散層內(nèi)氣液兩相流格子Boltzmann模擬*

吳 偉，陳 旺，蔣方明

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

PEMFC碳紙氣體擴(kuò)散層內(nèi)氣液兩相流格子Boltzmann模擬*

吳 偉1，2，3，4，陳 旺1，2，3，4，蔣方明1，2，3?

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）水管理，本文借助多相流格子Boltzmann模型（LBM）模擬分析了PEMFC碳紙氣體擴(kuò)散層（GDL）內(nèi)的氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程，主要研究了GDL疏水性對(duì)氣液兩相流的影響。結(jié)果表明：液態(tài)水流路徑不僅受到GDL結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，而且受到材料疏水性影響。液態(tài)水在疏水性弱的GDL中不僅容易沁入，而且容易在孔隙中達(dá)到飽和；相反，在疏水性較強(qiáng)的GDL中，液態(tài)水很難突破沁入小尺寸孔隙，而從孔徑較大的孔隙流通，從而形成毛細(xì)力主導(dǎo)的指進(jìn)流動(dòng)。

質(zhì)子交換膜燃料電池；偽勢(shì)多相流格子Boltzmann模型；氣液兩相輸運(yùn)；碳紙氣體擴(kuò)散層；疏水性

0 前 言

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)對(duì)電池性能和使用壽命具有重要影響，一個(gè)突出的問(wèn)題就是液態(tài)水過(guò)多積累形成“水淹”，導(dǎo)致催化劑層（catalyst layer，CL）內(nèi)活性反應(yīng)點(diǎn)被液態(tài)水覆蓋、反應(yīng)物傳輸路徑被液態(tài)水阻塞，繼而造成燃料電池性能下降、氣流流阻增大（泵功增加），同時(shí)還可能會(huì)造成電池催化層因燃料饑餓（fuel starvation）而致碳腐蝕，加速膜電極組合（membrane electrode assembly，MEA）的老化，給燃料電池的壽命帶來(lái)災(zāi)難性影響。

燃料電池碳紙氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）內(nèi)的氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)觀測(cè)到，數(shù)值模擬可以可視化GDL內(nèi)部?jī)上噍斶\(yùn)行為［1-2］。近年來(lái)，不少學(xué)者用VOF方法［3-4］或VOF與level-set結(jié)合的方法［5］研究PEMFC流道氣液兩相流動(dòng)，但均難以獲得較為滿意的結(jié)果，其主要原因是 GDL內(nèi)部微結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜且孔隙的幾何尺寸較小，其內(nèi)部氣液兩相流為毛細(xì)力主導(dǎo)（毛細(xì)數(shù) Ca在10-6量級(jí)）的流動(dòng)［6］；VOF數(shù)值方法難以處理復(fù)雜的多孔介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域邊界。具有介觀動(dòng)力學(xué)特征的格子Boltzmann方法可以方便地引入分子間相互作用力，自動(dòng)捕捉相界面。近些年來(lái)已有大量關(guān)于GDL內(nèi)部氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程的格子Boltzmann方法研究。如：HAO等［7］研究了GDL材料潤(rùn)濕性對(duì)液態(tài)水輸運(yùn)的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的毛細(xì)數(shù)下，強(qiáng)疏水性GDL內(nèi)的液態(tài)水為毛細(xì)流動(dòng)（capillary flow），而接近中性的 GDL內(nèi)液態(tài)水展現(xiàn)出穩(wěn)定流動(dòng)的特性（stable displacement）；ZHOU等［8］研究了重力、材料潤(rùn)濕性以及凝結(jié)對(duì)液態(tài)水輸運(yùn)的影響；MOLAEIMANESH等［9］研究了GDL材料潤(rùn)濕性在不同方向上的分布對(duì)液態(tài)水的流動(dòng)影響，另外，還發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)GDL疏水性有利于排水，但是當(dāng)疏水性超過(guò)一定程度時(shí)，對(duì)排水的效果不是很明顯；CHEN等［10］研究了GDL潤(rùn)濕特性對(duì)液態(tài)水的流動(dòng)的影響，包括 PTFE含量與分布對(duì)液態(tài)水的分布影響；PARK等［11］模擬了液滴流入多孔GDL的過(guò)程。

格子Boltzmann多相模型包括顏色模型［12］、偽勢(shì)模型［13-16］、自由能模型［17-20］與動(dòng)力學(xué)模型［21］。其中，SHAN等［13］提出的偽勢(shì)多相流模型（Shan-Chen多相流模型）引入了相鄰粒子之間的相互作用勢(shì)，可以方便地刻畫出分子之間的相互作用，已經(jīng)被廣泛地用于模擬復(fù)雜多相流體系統(tǒng)。本文將借助偽勢(shì)多相流模型對(duì) GDL內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 偽勢(shì)多相流模型的原理

假設(shè)流體中共有S個(gè)不同的粒子，則偽勢(shì)多相流模型包含S個(gè)分布函數(shù)的演化：

式中，τσ為松弛時(shí)間，ei為在i方向上的格子離散速度［22］，δt為時(shí)間步長(zhǎng)，和分別為第σ類粒子在t時(shí)刻、位置x處的分布函數(shù)和平衡態(tài)分布函數(shù)。對(duì)于包含靜止粒子的FHP［23］規(guī)則六邊形格子或三維的FCHC［24］格子，平衡態(tài)分布函數(shù)為：

其中，dσ為小于 1的常數(shù)，b代表離散速度數(shù)，D為空間維數(shù)，ci為格子離散速度，為宏觀的平衡態(tài)速度，ρσ為流體宏觀密度，如第σ類的宏觀量為：

其中，F(xiàn)為不同粒子間作用力u' 為混合速度，其定義如下：

Shan-Chen偽勢(shì)多相流模型假設(shè)不同流體粒子（如第σ類與第類）之間存在非局部的相互作用，相應(yīng)的勢(shì)函數(shù)為：

流體與固體之間的作用力也可以類似地表示出來(lái)：

其中：s（x'）為x'點(diǎn)處是否為固相的判斷函數(shù)，取1時(shí)代表 x'點(diǎn)為固相，取0則x'點(diǎn)為非固相；Gσs表征流體與固相之間的相互作用力強(qiáng)度，定義如下。

其中，gσs值決定流體與固壁面之間的作用力大小。

2 模型驗(yàn)證

2.1 Laplace定律驗(yàn)證

根據(jù)Laplace定律可知，靜止在液體內(nèi)的氣泡在力平衡條件下，氣泡內(nèi)外的壓力差與表面張力σ以及氣泡半徑R有關(guān)，其關(guān)系式為：

其中，σ為表面張力，R為氣泡半徑，ΔP為氣泡內(nèi)外壓差。式（11）表示當(dāng)流體的相關(guān)物性不變時(shí)，ΔP與1/R成線性關(guān)系，直線斜率表示表面張力。

模擬時(shí)，計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下：計(jì)算區(qū)域離散為50×50×50的格子，計(jì)算域x、y、z方向相對(duì)的兩個(gè)面上均采用周期性邊界條件，初始時(shí)刻，半徑為R的氣泡被置于計(jì)算域中心位置；氣泡內(nèi)外兩相的密度均為150格子單位密度；粒子間作用力強(qiáng)度分別取g12=0.001和g12=0.0012（下標(biāo)分別表示1、2類粒子）。圖1示出了氣泡內(nèi)外壓差與半徑之間的關(guān)系，從圖中可以看出，在不同的粒子間作用力強(qiáng)度下，對(duì)應(yīng)的PΔ與 1/R之間均成線性關(guān)系，這與Laplace定律相符，并且直線斜率與作用力強(qiáng)度成正比，作用力強(qiáng)度越大，則斜率越大。

圖1 Laplace定律驗(yàn)證Fig. 1 Validated with Laplace’s Law

2.2 靜態(tài)接觸角模擬

潤(rùn)濕角可以反映液-固-氣三相之間分子力作用，若液-固-氣系統(tǒng)給定，當(dāng)系統(tǒng)溫度和壓力一定時(shí)，則可確定潤(rùn)濕角。GDL內(nèi)的纖維一般為疏水性，材料疏水性與親水性可以表現(xiàn)為水-氣-固共存時(shí)水在固壁上的接觸角，角度越大表示材料的疏水性越強(qiáng)；反之，則材料親水性越強(qiáng)。

通過(guò)調(diào)節(jié) Shan-Chen多相偽勢(shì)格子 Boltzmann模型中的流體粒子與材料壁面之間的相互作用力強(qiáng)度獲得不同的接觸角。計(jì)算域采用50×50×50的格子，z=0與z=49兩個(gè)平面設(shè)置為壁面，采用半步長(zhǎng)反彈邊界條件，x、y方向均采用周期性邊界條件。如圖2所示，初始時(shí)刻，半徑為R的半球形液滴被置于z=0的壁面中心位置；流體粒子間作用力強(qiáng)度為g12=g21=0.001，流體粒子與壁面之間的作用力強(qiáng)度為g1s=-g2s。計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)流體與壁面之間的作用力強(qiáng)度獲得不同的接觸角。計(jì)算收斂后，接觸角θ分別為60°、90°、120°的液滴最終形態(tài)如圖2所示。

圖2 不同接觸角θ液滴附著固壁的形態(tài)Fig. 2 The simulated shapes of liquid droplet stciking on solid surface of different wetting properties

3 氣體擴(kuò)散層內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)的LBM模擬

3.1 物理模型

圖3 數(shù)值重建的氣體擴(kuò)散層Fig. 3 The computer-generated gas diffusion layer

本文采用SCHULZ等［25-27］提出的非交織纖維隨機(jī)生成技術(shù)，重建碳紙GDL介孔微結(jié)構(gòu)。該重建過(guò)程的具體實(shí)施參見文獻(xiàn)［25］。重建時(shí)考慮的基本離散單元尺寸為 2.5 μm，整個(gè) GDL層厚度 x方向（through-plane）包括60個(gè)單元（150 μm），整個(gè)GDL區(qū)域的孔隙率設(shè)置為0.8，并在GDL出口厚度方向上設(shè)置19個(gè)單元（47.5 μm）的空腔，用做液態(tài)水突破GDL后的積累空間，y、z方向與x方向一樣，也分別包含79個(gè)單元（197.5 μm）。重建的GDL結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 初始條件與邊界條件

初始時(shí)，GDL內(nèi)部充滿氣體。x=0為入口，即液態(tài)水沁入入口，x=79為出口，進(jìn)出口采用定壓邊界，其余周邊4個(gè)面均為對(duì)稱邊界?？紤]3個(gè)算例，即接觸角為93°、127°、153°。

3.3 計(jì)算結(jié)果與討論

圖4對(duì)比了在相同時(shí)刻t不同接觸角GDL內(nèi)液態(tài)水的沁入量與方式。不同算例液態(tài)水沁入量與方式有所不同，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。接觸角越大、液相越難沁入，相同時(shí)刻接觸角為 93°的算例沁入GDL的液態(tài)水明顯多于接觸角為153°的算例；液態(tài)水在毛細(xì)力主導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向 x、y、z方向沁入并占據(jù)原來(lái)充滿氣體的孔隙，碳紙纖維的阻隔使得液態(tài)水出現(xiàn)分化，液態(tài)水向前推進(jìn)，在兩相界面遇到多個(gè)孔隙時(shí)，優(yōu)先進(jìn)入孔徑較大的孔隙中。這是由于受到GDL結(jié)構(gòu)形態(tài)以及材料疏水性影響，疏水性較強(qiáng)的 GDL中液態(tài)水突破小孔沁入的可能性更小，導(dǎo)致液態(tài)水從孔徑較大的孔隙流入。這種流動(dòng)路徑的強(qiáng)選擇性對(duì)GDL內(nèi)氣體能夠快速進(jìn)入CL有利。因此，我們可以利用GDL疏水性能對(duì)液態(tài)水路徑選擇的作用，設(shè)計(jì)出合適的GDL，一方面可以較好地輸運(yùn)氣體反應(yīng)物，另一方面，還能快速地排出液態(tài)水。

圖4 GDL內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)的動(dòng)態(tài)演化Fig. 4 Time-changing liquid saturation distriution in the GDL

為進(jìn)一步考察 GDL內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，圖5給出了x斷面上的液態(tài)水的平均飽和度。從圖中可以看出在同一時(shí)刻，接觸角越小，GDL內(nèi)x斷面上的液態(tài)水的平均飽和度相對(duì)較高，且沿著x方向下降的坡度越大，這說(shuō)明接觸角越小，液態(tài)水更容易平穩(wěn)沁入 GDL；時(shí)間越長(zhǎng)，同一斷面上的液態(tài)水的平均飽和度越高，這說(shuō)明GDL內(nèi)沁入的液態(tài)水更多。對(duì)比不同時(shí)刻的液態(tài)水飽和曲線可以發(fā)現(xiàn)，接觸角為153°與127°的碳紙GDL，厚度方向各個(gè)截面液態(tài)水飽和度曲線呈現(xiàn)明顯的下凹，接觸角越大，曲線下凹越厲害；接近中性情況（接觸角為93°）的曲線則明顯上凸，這也進(jìn)一步說(shuō)明中性潤(rùn)濕條件下，液態(tài)水流動(dòng)更穩(wěn)定趨前。由Laplace定律可知，厭水性孔隙通道內(nèi)表面張力的作用越弱，阻礙液態(tài)水流動(dòng)的作用也越弱，導(dǎo)致液態(tài)水沁入GDL步調(diào)相對(duì)更一致，即兩相界面平穩(wěn)地向前推進(jìn)；反之，液態(tài)水沁入路線的選擇性更強(qiáng)，使得液態(tài)水更快地從孔徑較大的地方突入GDL內(nèi)部，在孔徑較小的地方阻力較大使得液態(tài)水無(wú)法突破導(dǎo)致這些地方的沁入受阻，從而形成了以毛細(xì)力主導(dǎo)的毛細(xì)指進(jìn)流動(dòng)。

計(jì)算網(wǎng)格大小對(duì)模擬結(jié)果有一定的影響，通過(guò)Richardson外推方法可以檢驗(yàn)網(wǎng)格對(duì)結(jié)果的影響。使用不同格子分辨率3.7 μm、2.5 μm、1.5 μm對(duì)同一GDL結(jié)構(gòu)內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：以Richardson外推法得到GDL/GC（gas channel）界面的截面平均飽和度精確解與不同格子分辨率時(shí)得到的模擬結(jié)果誤差分別小于9.5%、6%、4.5%；在GDL接觸角為93°的算例中，6000δt時(shí)上述三種格子分辨率下的GDL/GC界面液態(tài)水飽和度分別為0.270、0.261、0.258，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

圖5 x方向上的截面平均液態(tài)水飽和度曲線Fig. 5 Profile of x-sectional average liquid saturation

趨向中性的 GDL碳紙材料能夠促進(jìn)液態(tài)水形成更多連通的路徑，液態(tài)水占據(jù)更多的孔隙而可能使得反應(yīng)氣體難以進(jìn)入，但液態(tài)水在疏水性強(qiáng)的GDL中的選擇性傳輸使得即便部分液態(tài)水由大孔通道連通貫穿GDL達(dá)到流道界面，GDL內(nèi)仍有一定數(shù)量的孔隙被氣體占據(jù)，這部分氣體占據(jù)的孔隙可能成為反應(yīng)物氣流通道，GDL不至于在短時(shí)間內(nèi)完全被液態(tài)水堵死。因此，利用GDL疏水性能對(duì)GDL排水的影響設(shè)計(jì)出合適的 GDL對(duì)氣體反應(yīng)物運(yùn)輸與GDL排水具有重要意義。

4 結(jié) 論

本文采用Shan-Chen多相LBM模型對(duì)GDL內(nèi)氣液兩相輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行模擬和分析，結(jié)論如下：

（1）模擬證實(shí)了氣體擴(kuò)散層內(nèi)氣液兩相動(dòng)態(tài)輸運(yùn)過(guò)程符合毛細(xì)指進(jìn)流動(dòng)機(jī)制，液態(tài)水在疏水性GDL中的流通路徑呈現(xiàn)選擇性，液體傾向于在GDL各方向上毛細(xì)力最小的（孔徑最大）孔隙突破形成液體流動(dòng)通路。

（2）碳紙GDL的潤(rùn)濕性特性對(duì)兩相輸運(yùn)過(guò)程具有重要影響，材料疏水性減弱會(huì)使相同孔徑下的毛細(xì)力減小，將導(dǎo)致液態(tài)水的選擇性傳輸傾向減弱，加速了排水。但GDL內(nèi)大量孔隙（包括較多的小孔徑孔隙）被液態(tài)水占據(jù)而減少了氣體通路，有可能會(huì)造成電池性能下降。

［1］ WANG C Y. Fundamental models for fuel cell engineering［J］. Chemical reviews，2004，104（10）: 4727-4766. DOI: 10.1021/cr020718s.

［2］ JIANG F M，WANG C Y. Numerical modeling of liquid water motion in a polymer electrolyte fuel cell［J］. International journal of hydrogen energy，2014，39（2）: 942-950. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.113.

［3］ HIRT C W，NICHOLS B D. Volume of fluid （VOF）method for the dynamics of free boundaries［J］. Journal of computational physics，1981，39（1）: 201-225. DOI: 10.1016/0021-9991（81）90145-5.

［4］ ZHU X，SUI P C，DJILALI N. Three-dimensional numerical simulations of water droplet dynamics in a PEMFC gas channel［J］. Journal of power sources，2008，181（1）: 101-115. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.03.005.

［5］ CHEN S Q，LIAO B. A coupled level set and volume of fluid method for tracking moving interface in multiphase flow［J］. Journal of ship mechanics，2012，16（3）: 203-217. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7294.2012.03.001.

［6］ MUKHERJEE P P，KANG Q J，WANG C Y. Pore-scale modeling of two-phase transport in polymer electrolyte fuel cells-progress and perspective［J］. Energy & environmental science，2010，4（2）: 346-369. DOI: 10.1039/B926077C.

［7］ HAO L，CHENG P. Lattice Boltzmann simulations of water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell［J］. Journal of power sources，2010，195（12）: 3870-3881. DOI: 10.1016/ j.jpowsour.2009.11.125.

［8］ ZHOU P，WU C W. Liquid water transport mechanism in the gas diffusion layer［J］. Journal of power sources，2010，195（5）: 1408-1415. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2009. 09.019.

［9］ MOLAEIMANESH G，AKBARI M H. Water droplet dynamic behavior during removal from a proton exchange membrane fuel cell gas diffusion layer by Lattice-Boltzmann method［J］. Korean journal of chemical engineering，2014，31（4）: 598-610. DOI: 10.1007/ s11814-013-0282-6.

［10］ CHEN L，LUAN H B，HE Y L，et al. Numerical investigation of liquid water transport and distribution in porous gas diffusion layer of a proton exchange membrane fuel cell using lattice Boltzmann method［J］. Russian journal of electrochemistry，2012，48（7）: 712-726. DOI: 10.1134/S1023193512070026.

［11］ PARK J，LI X. Multi-phase micro-scale flow simulation in the electrodes of a PEM fuel cell by lattice Boltzmann method［J］. Journal of power sources，2008，178（1）: 248-257. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.12.008.

［12］ LUO L S. Theory of the lattice Boltzmann method: lattice Boltzmann models for nonideal gases［J］. Physical review e，2000，62（4）: 4982-4996. DOI: 10.1103/ PhysRevE.62.4982.

［13］ SHAN X W，CHEN H D. Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components［J］. Physical review e，1993，47（3）: 1815-1819. DOI: 10.1103/ PhysRevE.47.1815.

［14］ SHAN X W，CHEN H D. Simulation of nonideal gases and liquid-gas phase transitions by the lattice Boltzmann equation［J］. Physical review e，1994，49（4）: 2941-2948. DOI: 10.1103/PhysRevE.49.2941.

［15］ SHAN X W，DOOLEN G. Multicomponent lattice-Boltzmann model with interparticle interaction［J］. Journal of statistical physics，1995，81（1/2）: 379-393. DOI: 10.1007/BF02179985.

［16］ SHAN X W，DOOLEN G. Diffusion in a multicomponent lattice Boltzmann equation model［J］. Physical review e，1996，54（4）: 3614-3620. DOI: 10.1103/PhysRevE.54.3614.

［17］ SWIFT M R，OSBORN W R，YEOMANS J M. Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids［J］. Physical review letters，1995，75（5）: 830-833. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.75.830.

［18］ SWIFT M R，ORLANDINI E，OSBORN W R，et al. Lattice Boltzmann simulations of liquid-gas and binary fluid systems［J］. Physical review e，1996，54（5）: 5041-5052. DOI: 10.1103/PhysRevE.54.5041.

［19］ ZHENG H W，SHU C，CHEW Y T. A lattice Boltzmann model for multiphase flows with large density ratio［J］. Journal of computational physics，2006，218（1）: 363-371. DOI: 10.1016/j.jcp.2006.02.015.

［20］ INAMURO T，OGATA T，TAJIMA S，et al. A lattice Boltzmann method for incompressible two-phase flows with large density differences［J］. Journal of computational physics，2004，198（2）: 628-644. DOI: 10.1016/j.jcp. 2004.01.019.

［21］ HE X Y，SHAN X W，DOOLEN G D. Discrete Boltzmann equation model for nonideal gases［J］. Physical Review e，1998，57（1）: R13-R16. DOI: 10.1103/ PhysRevE.57.R13.

［22］ FRISCH U，D’HUMIèRES，HASSLACHER B，et al. Lattice gas hydrodynamics in two and three dimensions［J］. Complex Systems. 1987，1（4）: 649-707.

［23］ FRISCH U，HASSLACHER B，POMEAU Y. Lattice-gas automata for the Navier-Stokes equation［J］. Physical review letters，1986，56（14）: 1505-1508. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.56.1505.

［24］ D'HUMIèRES D，LALLEMAND P，F(xiàn)RISCH U. Lattice gas models for 3D hydrodynamics［J］. Europhysics letters，1986，2（4）: 291-297. DOI: 10.1209/0295-5075/ 2/4/006.

［25］ SCHULZ V P，BECKER J，WIEGMANN A，et al. Modeling of two-phase behavior in the gas diffusion medium of PEFCs via full morphology approach［J］. Journal of the electrochemical society，2007，154（4）: B419-B426. DOI: 10.1149/1.2472547.

［26］ SCHULZ V P，MUKHERJEE P P，BECKER J，et al. Numerical evaluation of effective gas diffusivitysaturation dependence of uncompressed and compressed gas diffusion media in PEFCs［J］. ECS transactions，2006，3（1）: 1069-1075. DOI: 10.1149/1.2356226.

［27］ WU W，JIANG F M. Microstructure reconstruction and characterization of PEMFC electrodes［J］. International journal of hydrogen energy，2014，39（28）: 15894-15906. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.03.074.

Liquid-Gas Flow in Carbon-Paper Gas Diffusion Layer of Proton Exchange Membrane Fuel Cell: A Lattice Boltzmann Simulation Study

WU Wei1，2，3，4，CHEN Wang1，2，3，4，JIANG Fang-ming1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

To improve the water management of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC），the two-phase （liquid water and air） transport in the carbon-paper gas diffusion layer （GDL） of PEMFC was simulated and analyzed by using the pseudopotential multiphase lattice Boltzmann model （LBM），which mainly focused on the effects of GDL hydrophobicity on the two-phase transport. The results encompass: for a GDL of lower hydrophobicity，liquid water is easier to seep into the pore space，and thus reach a higher liquid saturation level in the GDL；while for a GDL of higher hydrophobicity，the liquid water can hardly enter the pores of smaller size，but flows along the pathways connecting the pores of relatively larger size，leading to the formation of a capillary-fingering flow.

proton exchange membrane fuel cell；pseudopotential multiphase lattice Boltzmann model；two-phase transport；carbon-paper gas diffusion layer；hydrophobicity

TK121；TM911

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.003

2095-560X（2016）05-0351-07

吳 偉（1987-）男，博士研究生，主要從事電化學(xué)能源系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究。

陳 旺（1987-）男，博士研究生，主要從事燃料電池的數(shù)值模擬研究。

蔣方明（1973-）男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所先進(jìn)能源系統(tǒng)研究室主任，2002-2012先后工作于德國(guó)的IMM公司、葡萄牙的阿維諾（Aveiro）大學(xué)、美國(guó)的賓州州立大學(xué)，2011年4月獲中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”引進(jìn)海外杰出人才擇優(yōu)支持，主要從事電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)、微尺度能量傳遞和轉(zhuǎn)化、深層地?zé)豳Y源開發(fā)和利用、多尺度多物理數(shù)值模型及計(jì)算方法等研究。

2016-03-10

2016-07-22

廣東省自然科學(xué)基金（2015A030308019）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014J4100217）

? 通信作者：蔣方明，E-mail：jiangfm@ms.giec.ac.cn