基于动态润湿模型研究PEM燃料电池液态水的传输特性

The surface wettability of the flow channel and gas diffusion layer (GDL) is critically important to the water transport and removal in proton exchange membrane (PEM) fuel cell. Most of the traditional liquid water transport models, which only use a static contact angle to measure the surface wettability, cannot sufficiently reflect the contact angle hysteresis and the sliding phenomenon associated with water droplet transport. Although some methods to consider the contact angle hysteresis are investigated, the liquid water transport model incorporating dynamic wettability, i.e. the dynamic contact angle and sliding angle, is still not available. This proposed project aims to establish a liquid water transport model with dynamic wettability which incorporates the dynamic contact angle and the sliding angle effects, as well as their interactions. Based on the dynamic wettability model and the experimental support, effects of the dynamic contact angle, the sliding angle, and multiple design and operating parameters of the flow channel and GDL on the water transport and removal will be investigated, the interactions among these parameters will be discussed, and a design optimization for better water removal will be made. This study is significantly important in profoundly understanding the liquid water transport and removal mechanisms and improving the water management strategy in PEM fuel cell. In addition, the dynamic wettability model to be developed may also have potential values in other research fields.

质子交换膜（PEM）燃料电池流道和扩散层（GDL）表面的润湿性对液态水的传输和去除过程有重要的影响。传统液态水传输模型大都只用一个静态接触角表示固体表面的润湿性，不能够反映液滴的接触角差异和滑动传输的特性。虽然研究者们提出了一些建立接触角差异的方法，但目前仍缺少包含动态接触角和滑动角这两个主要动态润湿参数的液态水传输模型。本项目拟构建一个PEM燃料电池液态水传输的动态润湿模型，在模型中引入动态接触角和滑动角以及它们之间的相互作用关系。基于动态润湿模型并结合实验，研究并获得动态接触角和滑动角以及流道和GDL的设计和工作参数对液态水传输和去除过程的影响规律，揭示它们之间的相互作用关系，获得能改进流道和GDL表面除水性能的设计方案。本研究对深入认识PEM燃料电池液态水的传输和去除机理，改善PEM燃料电池的水管理有重要的科学意义，拟构建的动态润湿模型在很多其他领域也有较强的应用价值。

PEM燃料电池的水管理对其工作性能和可靠性有重要的影响。PEM燃料电池流道和GDL表面的润湿性是影响流道内液态水传输过程的重要因素。针对目前静态润湿模型在液态水传输模拟方面的不足，本项目构建了包含动态接触角、接触线形状和滑动角及其耦合关系的动态润湿模型，并验证了模型的有效性。通过模拟仿真研究并获得了滑动角、静态接触角、接触线尺寸和形状对接触角滞后的作用机制，以及滑动角、液滴尺寸、液滴位置、气流速度等对液态水传输和去除过程的影响规律。据此提出了改进PEM燃料电池流道和GDL表面除水性能的新型亲水导流针和阻块流道设计，并对设计参数进行了系统优化。完成了流道内液滴传输可视化综合研究平台的设计和搭建，研究了不同气流速度下液滴从生长到脱离水孔全过程的形状、位置和动态接触角变化规律，发现了液滴发展的生长、震荡和去除三个阶段的主要特征。本项目建立的PEM燃料电池流道内液态水传输的动态润湿模型为水管理的研究提供了工具；揭示的液态水传输规律丰富和发展了液态水传输机理；提出的新型除水流道的设计为PEM燃料电池高效除水和功率密度提升提供了解决方案。发表期刊论文22篇，其中SCI收录论文21篇；申请国家发明专利1项并获得授权；发表国内外学术会议论文9篇。完成了任务书的既定目标。