Modeling and analysis of two phase flow in gas diffusion layer of fuel cell

摘要

近年來PEMFC技術廣受注目，世界各國均將大力投入發展 FCEV並預期於2030至2040年間興建數千至上萬加氫站，且銷售數十萬至上百萬台FCEV，並投入數百億至千億台幣資金進入相關產業，而在PEMFC中，PEM 需適度含水方可順利輸送質子。但若陰極液態水含量過高未能適當排出，使得氣體擴散層發生阻塞，則電極表面上部分位置將未能有充足之反應氣體供應，導致發電效率下降。 而為了解析擴散層中之現象我們根據現有文獻展出一套數值模型。原有模型可於多孔介質中計算氣液兩相流，但其陰極須為純氧而非商業上常用之空氣，我們引入燃燒學中的多物種反應系統使得模型能計算氣相中不同組份間的流動現象，以及使得氧氣和其他氣體能於反應邊界有不同行為，達成陰極使用空氣計算之目的，且藉由分離擾動項等演算法使的我們的模型可於高寬比約為0 0025的多孔介質中運算。 我們發現擴散層內氧氣分壓皆低於流道內氧氣分壓，相反地擴散層內氮氣分壓皆高於流道內氮氣分壓；且漸縮阻擋物較三角形阻擋物在相同條件下有較好之表現；而障礙物高度為入口高度0 8倍的三角形流道相對於無障礙物流道液態水質量流率高了57%，而相同條件下漸縮流道則高了80%。 但我們也發現水飽和度邊界條件主導了整體擴散層的水飽和度分佈，因此我們應該更嚴謹的審視這條邊界條件，且對我們觀察到的結果與實際燃料電池物性之關聯保持懷疑的態度，再使水飽和度邊界條件其與交界面之局部物性相關而非與反應面之平均物性相關。

獎項日期	2020
原文	English
監督員	Tian-Shiang Yang (Supervisor)