Numerical simulation of two-phase flow in a multi-gas channel of a proton exchange membrane fuel cell

润湿 流体体积法 压力降 质子交换膜燃料电池 入口 机械 材料科学 体积流量 两相流 流量(数学) 饱和(图论) 明渠流量 下降(电信) 化学 复合材料 电气工程 机械工程 生物化学 物理 工程类 数学 组合数学
作者
Libin Zhang,Shuai Liu,Zhong Wang,Ruina Li,Qixia Zhang
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:47 (40): 17713-17736 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2022.03.246
摘要

Understanding the two-phase distribution characteristics within the multi-gas channel of a fuel cell is important for improving fuel cell performance. In the paper, the volume of fluid model is used to predict the dynamic behaviour of water in the multi-gas channel, analyze the pressure drop, velocity distribution, and flow resistance coefficient between different channels, and investigate the influence of operating conditions, surface wettability and channel structure on the two-phase distribution characteristics in the channel. The results show that water undergoes the processes of growth, separation, single droplet transport, wall impact, droplet collision, liquid film formation, and liquid film transport in the multi-gas channel. Inlet velocity and surface wettability significantly affect the pressure drop, water saturation, and surface water coverage. As the inlet velocity and gas diffusion layer surface wettability increase, the flow resistance coefficient and unevenness of the distribution decrease, indicating that the in-channel flow distribution homogeneity is enhanced. The rectangular channel has better water removal and flow distribution uniformity than the tapered channel, and the unevenness of distribution decreases significantly with decreasing rectangular width, from 0.15715 to 0.00315. The research work is a guide to understanding water transport in multi-gas channels, accelerating water removal, and improving inter-channel flow distribution uniformity.
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