吴 伟，陈 旺，蒋方明

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049）

PEMFC碳纸气体扩散层内气液两相流格子Boltzmann模拟*

吴 伟1，2，3，4，陈 旺1，2，3，4，蒋方明1，2，3†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049）

为了提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理，本文借助多相流格子Boltzmann模型（LBM）模拟分析了PEMFC碳纸气体扩散层（GDL）内的气液两相输运过程，主要研究了GDL疏水性对气液两相流的影响。结果表明：液态水流路径不仅受到GDL结构形态的影响，而且受到材料疏水性影响。液态水在疏水性弱的GDL中不仅容易沁入，而且容易在孔隙中达到饱和；相反，在疏水性较强的GDL中，液态水很难突破沁入小尺寸孔隙，而从孔径较大的孔隙流通，从而形成毛细力主导的指进流动。

质子交换膜燃料电池；伪势多相流格子Boltzmann模型；气液两相输运；碳纸气体扩散层；疏水性

0 前 言

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）内气液两相输运对电池性能和使用寿命具有重要影响，一个突出的问题就是液态水过多积累形成“水淹”，导致催化剂层（catalyst layer，CL）内活性反应点被液态水覆盖、反应物传输路径被液态水阻塞，继而造成燃料电池性能下降、气流流阻增大（泵功增加），同时还可能会造成电池催化层因燃料饥饿（fuel starvation）而致碳腐蚀，加速膜电极组合（membrane electrode assembly，MEA）的老化，给燃料电池的寿命带来灾难性影响。……