基于可視化技術(shù)的氫燃料電池氣體擴(kuò)散層仿真分析

氫燃料電池汽車(chē)具有高效率和零排放的優(yōu)點(diǎn)，因而成為了眾多汽車(chē)制造商和研發(fā)結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。常用的氫燃料電池類(lèi)型為質(zhì)子交換膜燃料電池，其最關(guān)鍵的部件為陰極和陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層（GDL），GDL的主要作用是分散氣體（氫氣或空氣）、排水、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等。質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，由于氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能的同時(shí)會(huì)生成水，因而產(chǎn)生的電能越多則相應(yīng)生成的水也越多。對(duì)此，為了保持氣體擴(kuò)散通道順暢，不影響氫燃料電池的性能，必須將反應(yīng)生成的水快速排出。目前，對(duì)于氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)生成的水在GDL中傳輸?shù)倪^(guò)程還沒(méi)有完全掌握，因而需要研究這一過(guò)程。

日本豐田（TOYOTA）汽車(chē)公司在研究氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)生成的水在GDL中傳輸?shù)倪^(guò)程時(shí)開(kāi)發(fā)了一種可視化技術(shù)，并稱(chēng)之為同步輻射X射線(xiàn)成像技術(shù)。該技術(shù)能夠穿透氫燃料電池的電極材料（鉑或碳），可觀(guān)察電極內(nèi)部GDL上水的流動(dòng)過(guò)程。在分析時(shí)，使用同步輻射光源BL33XU SPring-8，獲得GDL上水流動(dòng)過(guò)程的二維圖像（分辨率1μm），利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件Fluent對(duì)獲得的二維圖像進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果顯示：氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)生成的水導(dǎo)致其發(fā)電性能下降70%；在陰極GDL上水的傳輸過(guò)程對(duì)氫燃料電池發(fā)電性能的影響最大。

Daisuke Hayashi et al.SAE 2017-01-1188.

編譯：王祥