自2008年起，使用数值模拟方法研究燃料电池流道内液滴运动的文章层出不穷，流道的不同尺寸，结构设计，亲疏水特性，进气速度，湿度等各种变量对液滴运动的影响都已经被研究过。然而，目前绝大多数工作都会假设流道底部为光滑或者以规律分布的肋状结构来简化扩散层的表面的真实微观结构。目前质子交换膜燃料电池多采用疏水处理过的碳纸作为扩散层，其表面微观结构如下图所示。
想要解析真实扩散层复杂无序的碳纤维机构和其对于两相流的影响对于微观结构重构，两相界面捕捉，网格质量精度以及计算能力都有着很大的挑战，也正因如此，这一项研究迟迟没有开展。我们在之前的工作(Hou Y, Deng H, Du Q, et al. Multi-componentmulti-phase lattice Boltzmann modeling of droplet coalescence in flow channelof fuel cell[J]. Journal of Power Sources, 2018, 393: 83-91.)中首次实现了用格子玻尔兹曼伪势方法模拟流道内真实密度、粘度比，表面张力的液滴运动。在本次工作中，我们将之前提出的格子玻尔兹曼模型拓展至三维，模型经过热力学一致性，虚速度，拉普拉斯方程及张力波验证，用来模拟考虑真实扩散层微观结构的流道内液滴运动。模型计算域及边界设置如下图所示。
沿流道方向，计算域分为发展区，核心区以及缓冲区。核心区的下表面为重构的扩散层结构，详细重构方法可以在我们之前工作（Deng H, Hou Y, Jiao K. International Journal of Heat andMass Transfer, 2019, 140: 1074-1090.）中查到。入口边界调节设置为速度入口，出口设置为恒压出口。接下来我们分别研究了真实扩散层结构，碳纸疏水性，以及液滴大小的影响。
首先介绍的是与光滑假设的对比，由下图我们可以看出，在拥有相同亲疏水性的材料上，由于碳纸微观结构影响局部张力，碳纤维结构会放大材料特性，在疏水材料上呈现更大的接触角，在亲水材料上呈现更小的接触角。
而对于动态液滴特性，液滴在光滑表面上只会沿着进气方向上移动，由于碳纤维的不均匀分布，液滴在碳纸上会产生垂直于进气方向上的移动。而且碳纤维会起到障碍物的作用，减缓液滴移动的速度。
调节材料的润湿性是优化水管理的经典方法。在现有研究中，普遍认为较大的接触角会造成较大的剪切力和较小的接触面积而加快液滴的运动。该结论也适用于GDL表面，如下图所示。对于疏水性较小的GDL，液滴与碳纤维之间的接触面积较大，从而导致较大的阻力，液滴运动受碳纤维分布影响变大，甚至会移动至壁面。这样的结果与实验观测结果相符，液滴通常附着在流道的侧壁上。但是，附着后液滴将严重减慢移动速度，甚至被卡住，这是因为壁附近气体流速较低，驱动剪切力无法与阻力抗衡。这种现象会导致高压降甚至水淹，这对于电池运行并不理想。
现有实验已经观察到，通道中的流动模式受液滴尺寸的影响。我们分别在高度疏水的GDL上初始化具有不同半径的三个液滴。由于较大的剪切力，中等大小的液滴比小液滴运动得更快，这与先前的结果一致。但是，当液滴继续变大时，液滴与GDL的接触面积也会增加，导致液滴仍会移动到达侧壁从而导致比小液滴运动得更慢。因此，我们推论只要液滴到达侧壁，无论液滴大小或GDL润湿性如何，其运动都将受到极大阻碍。在实际运行的燃料电池中，几乎不可能避免液滴到达侧壁，因为液滴会从GDL的孔中随机出现，并会在聚结过程中不断生长，传统的水管理方法并不能解决这个问题。
过去学者主要关注如何加速液滴在流道中的运动，从而优化水管理，例如使底壁更疏水。但是，即使在疏水性极强的GDL上，当液滴到达侧壁时，其运动仍将严重受阻。因此，我们提出了一种新的水管理策略来解决此问题。通道中液态水的危害主要在于阻碍气体的输送，从而导致反应物分布不均，进而影响反应速度。在新的策略中，我们将侧壁调整为亲水，液滴运动过程如下。
我们可以观察到，当液滴到达侧壁时，它们将以薄膜形状覆盖侧壁。对于大液滴情况，水膜甚至可以到达顶壁，液态水将被存储在上角。这种方法可以有效地移除堵在GDL表面的水，而对气体的传输几乎没有影响。液态水可以被吹出或通过蒸发排出，其薄膜形状也可以更好促进蒸发过程。另外，我们还进行了定量分析以比较不同策略下的压降。下图证明了滞留在GDL表面的液滴会在流场中造成额外的压降，而所提出的水管理方法可以有效地降低压力降。
在这次工作中，我们搭建了三维多组分多相格子玻尔兹曼模型，用来模拟考虑真实GDL结构的流道内的两相流。我们发现GDL微观结构可以增强材料的润湿性，动态过程中水滴可能会到达侧壁，并可能被卡住。亲水性的侧壁和顶壁可有效将液态水移除GDL表面，从而不会影响气体输运，并可以大大降低压降。
更多信息请见原文：
Yuze Hou, Hao Deng, Nada Zamel, Qing Du*, Kui Jiao*. 3D lattice Boltzmann modeling ofdroplet motion in PEM fuel cell channel with realistic GDL microstructure andfluid properties. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 10.1016/j.ijhydene.2020.02.155
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