质子交换膜燃料电池扩散层内气液两相驱.替流的格子Boltzmann方法模拟

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高效、低碳的特性，已成为绿色能源利用的主流形式之一。扩散层是 PEMFC 的核心部件，因此，研究扩散层内气液两相流动规律，成为解决燃料电池性能问题的首要任务，而如何合理模拟扩散层内气液两相驱替流动，也成为当前燃料电池研究的重要课题。
近年来，格子玻尔兹曼方法（LBM）在多相流领域应用广泛。该方法通过求解微观粒子的运动规律，能更真实地模拟流体流动行为，可用于气液两相驱替流动等复杂流体问题。本研究采用二维格子玻尔兹曼方法，对稳态扩散层内的气液两相驱替流动进行模拟，分析并评估了两相驱替过程中的速度场、压力场、液膜形态及对流传热特性，定性评价了扩散层内气液两相流动性能。
本研究提出一种介观尺度格子玻尔兹曼（LBM）模型，用于模拟 PEMFC 气体扩散过程中的液体生成与驱替现象。通过研究多孔结构，探究其对扩散层内液态水传输、界面动力学的影响。结果表明：具有孔隙率梯度的扩散层优势更显著，可提升效率。
上述结论为扩散层性能优化提供了新方向，提示需重点关注孔隙率梯度等微观结构对扩散层性能的影响。本研究成果将为燃料电池研究提供有力支撑，或可为氢燃料电池等类型的燃料电池优化提供新思路。