微重力下质子交换膜燃料电池（PEMFC）气通道内液相形态转变：从有效断裂到通道液相耗尽阈值

《Chemical Engineering Journal》：Liquid morphology transition inside gas channels of a PEMFC under microgravity: From effective breakup to channel liquid-depletion threshold

　　

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  微重力排水缓解了水淹问题，但引发了膜通道液相耗尽阈值。
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  有效破碎点标志着从铺展流到团簇流的转变。
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  通道液相耗尽阈值标志着从团簇流到覆盖接近零的雾流的转变。
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  由于约束效应，临界 We 远低于经典值 We ≈ 12。
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  三阶段演化具有普遍性；各阈值随水流量变化。

引言

航天研究已成为本世纪的重要课题 [1]。过去几十年间，大量研究工作致力于质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为氢能源转换的主要技术 [2]。现有研究大致可分为两类：膜电极组件（MEA）优化和流道结构设计 [3]。

在膜电极组件方面，Li 等人 [4] 将超疏水性含氟碳纳米管引入微孔层，显著提高了孔隙率、导电性和疏水性，从而改善了高湿度条件下的水分管理和输出性能。Feng 等人 [5] 采用多尺度模型研究了气体扩散层中的梯度孔隙率分布，发现线性和非线性凸形设计分别提高了排水能力并增加了1.2%和1.5%的功率密度。Fettah 等人 [6] 开发了一种低成本 PVOH/Ni-Al LDH 纳米复合膜，在75 °C下质子电导率为40 mS/cm，为高温 PEMFC 提供了一种无氟替代方案。Lee 等人 [7] 将 CeO? 纳米粒子限制在中孔二氧化硅中，获得了小于2 nm的复合抗氧化剂，在100 h耐久性测试后仍保留了95%的初始性能，有效克服了传统 CeO? 抗氧化剂的结构性不稳定性。

在流道优化方面，Gu 等人 [8] 提出了凹槽挡板流道设计并通过遗传算法进行优化；优化后的结构在功率密度方面优于传统光滑流道，且整体效率优于矩形挡板设计。Zhang 等人 [9] 开发了一种带挡板和凹槽的双轨流场以增强对流并缩短气体扩散路径；正交优化验证了其电流密度优于平行流场。流道设计在提升 PEMFC 性能方面的有效性已得到大量研究的充分证实 [10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。例如，Bashiri 等人 [10] 表明，将阴极障碍物与阳极多孔介质相结合，可以在维持电流密度的同时降低泵功率，使整体性能提升一个数量级以上。

然而，值得注意的是，上述所有研究均在正常重力条件下进行。在地面上，重力驱动相间分离和流动分层，导致流道中可预测的气液分布模式 [17]。当 PEMFC 部署于太空时，近零重力环境从根本上改变了力平衡：惯性力、粘性力和表面张力——而非浮力——成为控制两相流动动力学的主导因素 [18]。这一转变显著影响流型转变、空隙率、液膜厚度以及界面剪切应力 [19]、[20]、[21]，使得地面知识不足以适用于太空环境。正如 Narcy 和 Colin [22] 所综述的，重力对两相流动的影响在低质量流量条件下尤为显著，而这正是航天 PEMFC 系统中常见的工况。因此，进一步研究微重力条件下 PEMFC 通道内的两相流动对于评估地面知识的太空适用性并指导航天用 PEMFC 的设计至关重要。

我们的前期工作 [23]、[24] 揭示了微重力显著增强了 PEMFC 通道内的水分蒸发，从而影响电池性能。认识到这一现象对太空 PEMFC 应用的重要性，我们将研究范围扩展到更宽的操作条件范围内，系统地表征其潜在的两相流动动力学特性。特别是，液相形态演化——从连续铺展到碎裂团簇，最终到雾相——及其对流参数的定量依赖关系得到了系统考察，重点关注水分管理从有利排水转变为有害膜干燥的关键过渡点。本研究结合落塔实验和 VOF 模拟，研究了微重力条件下 PEMFC 气相通道内的两相流动形态转变。识别出两个关键 Weber 数阈值——有效破碎点和通道液相耗尽阈值——界定了太空 PEMFC 最优水分管理的操作窗口。

章节摘要

微重力平台

本研究的实验使用落塔进行。如图1所示，实验系统放置于落舱内，通过自由落体实现微重力环境。本研究提供的微重力环境约为10^?3 g 至10^?2 g，总时长约为3.6 s。

PEMFC 测试平台

如图2所示，图2(a)为实验台示意图，(b)为实验台实物照片。

模型简化与假设

为便于高效研究 PEMFC，采用了几项实际简化措施：

• (1)
  通过在蛇形通道壁上引入随机分布的液体入口孔，将系统简化为纯两相流场景。
• (2)
  流体假设为等温、不可压缩，无相变，热物性参数恒定 [25]。
• (3)
  液态水的生成由指定的液体速度入口表示，无需显式模拟。

微重力下 PEMFC 的电性能

不同重力条件下 PEMFC 的电性能如图6所示。由于落塔测试机会有限，每个工况仅测试一次。报告的数据来自单次落体，因此无法进行统计不确定性分析。变化幅度小于测量精度（如表2所列：电压 ±0.005 V，电流 ±0.015 A）的变化被视为与测量噪声不可区分。图6(a)中，

结论

主要结论总结如下。

• (1)
  微重力对所观测的电池端特性具有双向影响：在水富集状态下缓解水淹（电流增加），但在相对干燥状态下导致性能下降（电压和电流均降低）。这表明微重力排水并非普遍有利，需要条件依赖型的水分管理策略。
• (2)
  随着气体 Weber 数

符号说明

符号
A	面积，m2
l	液相最大长度，m
L	特征长度，m
p	压力，Pa
Re	雷诺数
t	时间，s
u	速度，m/s
We	Weber 数
X	流动通道中液体体积比例
Y	液体覆盖率
Z	阻塞指数
希腊字母
α	体积分数
ρ	密度，kg/m3
μ	动力粘度，Pa?s
σ	表面张力系数，N/m
δ	液膜厚度，m
下标
l	液相
g	气相
m	混合相
all	通道全部体积/面积
缩写
GDL	气体扩散层
MEA	膜电极组件
PEMFC

CRediT 作者贡献声明

Gu Jinming：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构思。Yu Ruijiao：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取、正式分析。Du Wangfang：调查、数据整理。Ye Fang：资源、正式分析。Chen Hao：项目管理、经费获取。Zhao Jianfu：资源、方法论。Guo Hang：撰写—审阅与

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52506212）以及中国科学院微重力重点实验室开放课题（项目编号：NML202409）的资助。

Jinming Gu|Ruijiao Yu|Wangfang Du|Fang Ye|Hao Chen|Jianfu Zhao|Hang Guo