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质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有高效清洁、低噪音和零排放等优点，已经成为新能源汽车的主要动力来源之一。当前高性能PEMFC研发过程的主要挑战之一是在不同尺度的燃料电池部件中进行水管理，例如流道(?1 mm)和多孔气体扩散层(GasDiffusionLayer,GDL，10?20μm)。在PEMFC的工作过程中，过量的液态水会阻碍反应物的输运和反应，尤其是在高电流密度条件下更容易发生水淹现象。因此，深入理解流道和气体扩散层中的多相流动机理对于高性能PEMFC的设计和优化至关重要。然而，在高电流密度条件下，流道内复杂的气-液两相湍流流动机理尚不清楚，前人对GDL中的孔尺度液态水的动力学研究也相对不足，以及GDL微观结构对PEMFC性能的影响也亟待阐明。因此，本文拟通过孔尺度和全电池尺度模拟方法来弥补这方面工作的不足，即燃料电池流道内气-液两相湍流的直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)，GDL内两相流动的孔尺度模拟以及三维PEMFC全电池(Three Dimensional full-cell PEMFC)性能模拟，具体工作分为以下几个方面：
1.本文首先利用流体体积方法(Volume of Fluid, VOF)开发了燃料电池流道中气-液两相湍流DNS模型，并利用直接数值模拟的方法来求解全尺度湍流脉动。本文将两相湍流DNS模型的结果与两相层流和k-ε模型进行了对比，发现液滴在湍流下的变形是不对称的，并且大的液滴容易破碎成液膜而不易排出流道。除此之外，传统的湍流k-ε模型由于是时均模型，无法考虑湍流脉动的影响，因此预测的结果与DNS模型具有显著的差别。
2.本文基于VOF方法和GDL微观结构随机重构方法建立了用于研究GDL内液态水动态过程的孔尺度模型。基于该模型，本文研究了沿Through-plane和In-plane方向的液态水的局部空间分布，并将预测的结果与X射线断层扫描技术得到的结果进行了对比验证。同时，本文也利用该模型研究了由不同聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene , PTFE)空间分布引起的GDL混合润湿特性对GDL内液态水分布和毛细压力曲线的影响。研究结果表明，考虑GDL的混合润湿特性比只考虑纯疏水特性的模型结果更接近实验数据，从而阐明了GDL混合润湿特性在研究液态水动态行为过程中的重要性。
3.在上述GDL孔尺度VOF模型的基础上，本文进一步开发了GDL内氧气扩散模型，以研究干燥或部分饱和GDL的有效氧气扩散系数。本文首先预测了干燥GDL中有效扩散系数并与文献中的各种扩散系数模型进行了比较，验证了该氧气扩散模型的精度。随后，本文研究了润湿GDL内在Through-plane和In-plane方向上不同的局部水分布和孔隙率分布对有效氧扩散系数的影响，并与格子玻尔兹曼模型(Lattice Boltzmann Method, LBM)的结果以及实验数据进行了比较。本文的研究结果也发现局部液态水分布的差异对部分饱和GDL中的有效扩散系数具有显著影响，并且Through-plane方向的扩散率比In-plane方向对液态水的分布更敏感。
4.为了优化GDL孔隙中的液态水分布，降低氧气在湿润GDL内的传质阻力，本文提出了双层局部打孔的GDL结构设计方法，并采用之前的孔尺度VOF模型和氧气扩散模型对该GDL结构进行参数优化。研究结果表明，与不带人造孔的GDL相比，新型GDL结构设计方法可以显著降低GDL中的液态水含量，从而降低氧气传输阻力。本文随后研究了不同的穿孔深度H和直径D的影响，研究结果表明直径(D=100μm)和深度(H=100μm)可以达到最好的效果。同时，本文也研究了人造孔的位置的影响，即GDL中心位置和液态水突破位置。研究发现后者能够更高效的排出GDL内的液态水。最后，本文使用之前的氧气扩散模型量化了带人造孔的GDL内液态水分布对氧气传输阻力的影响，结果表明人造孔降低了GDL中的氧气扩散阻力，且D=100μm，H=100μm这组参数可将GDL底部的氧气浓度提高近一倍。
5.本文在开源CFD平台OpenFOAM中开发并验证了PEMFC三维多相流模型，并详细介绍了OpenFOAM中该模型的建模过程。本文利用验证过的模型研究了阳/阴极入口处不同相对湿度对电池性能的影响，发现阳极入口处不同的相对湿度对电池性能有显著影响，而阴极相对湿度对电池性能影响较小。随后，本文将之前重构的GDL微观结构考虑到该三维PEMFC模型中，研究了重构微观孔隙结构对模型预测性能的影响并与均质传输模型进行了对比，发现两者的预测结果差异显著，尤其是在高电流密度工况下。这是因为在考虑真实GDL结构的模型中，有效电导率是由GDL微观结构直接决定，而在均质模型中，则是通过半经验公式计算得到，这两种方法得到的有效电导率差异显著。
本文的研究工作对深入理解流道中的气-液两相湍流流动和GDL内孔尺度的液态水和氧气传输机制具有重要。本文也是首次基于开源CFD平台OpenFOAM搭建三维低温PEMFC多相流模型，这项工作将会极大的推动高效率、低成本、多功能开源三维PEMFC求解器的开发。
1.本文首先利用流体体积方法(Volume of Fluid, VOF)开发了燃料电池流道中气-液两相湍流DNS模型，并利用直接数值模拟的方法来求解全尺度湍流脉动。本文将两相湍流DNS模型的结果与两相层流和k-ε模型进行了对比，发现液滴在湍流下的变形是不对称的，并且大的液滴容易破碎成液膜而不易排出流道。除此之外，传统的湍流k-ε模型由于是时均模型，无法考虑湍流脉动的影响，因此预测的结果与DNS模型具有显著的差别。
2.本文基于VOF方法和GDL微观结构随机重构方法建立了用于研究GDL内液态水动态过程的孔尺度模型。基于该模型，本文研究了沿Through-plane和In-plane方向的液态水的局部空间分布，并将预测的结果与X射线断层扫描技术得到的结果进行了对比验证。同时，本文也利用该模型研究了由不同聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene , PTFE)空间分布引起的GDL混合润湿特性对GDL内液态水分布和毛细压力曲线的影响。研究结果表明，考虑GDL的混合润湿特性比只考虑纯疏水特性的模型结果更接近实验数据，从而阐明了GDL混合润湿特性在研究液态水动态行为过程中的重要性。
3.在上述GDL孔尺度VOF模型的基础上，本文进一步开发了GDL内氧气扩散模型，以研究干燥或部分饱和GDL的有效氧气扩散系数。本文首先预测了干燥GDL中有效扩散系数并与文献中的各种扩散系数模型进行了比较，验证了该氧气扩散模型的精度。随后，本文研究了润湿GDL内在Through-plane和In-plane方向上不同的局部水分布和孔隙率分布对有效氧扩散系数的影响，并与格子玻尔兹曼模型(Lattice Boltzmann Method, LBM)的结果以及实验数据进行了比较。本文的研究结果也发现局部液态水分布的差异对部分饱和GDL中的有效扩散系数具有显著影响，并且Through-plane方向的扩散率比In-plane方向对液态水的分布更敏感。
4.为了优化GDL孔隙中的液态水分布，降低氧气在湿润GDL内的传质阻力，本文提出了双层局部打孔的GDL结构设计方法，并采用之前的孔尺度VOF模型和氧气扩散模型对该GDL结构进行参数优化。研究结果表明，与不带人造孔的GDL相比，新型GDL结构设计方法可以显著降低GDL中的液态水含量，从而降低氧气传输阻力。本文随后研究了不同的穿孔深度H和直径D的影响，研究结果表明直径(D=100μm)和深度(H=100μm)可以达到最好的效果。同时，本文也研究了人造孔的位置的影响，即GDL中心位置和液态水突破位置。研究发现后者能够更高效的排出GDL内的液态水。最后，本文使用之前的氧气扩散模型量化了带人造孔的GDL内液态水分布对氧气传输阻力的影响，结果表明人造孔降低了GDL中的氧气扩散阻力，且D=100μm，H=100μm这组参数可将GDL底部的氧气浓度提高近一倍。
5.本文在开源CFD平台OpenFOAM中开发并验证了PEMFC三维多相流模型，并详细介绍了OpenFOAM中该模型的建模过程。本文利用验证过的模型研究了阳/阴极入口处不同相对湿度对电池性能的影响，发现阳极入口处不同的相对湿度对电池性能有显著影响，而阴极相对湿度对电池性能影响较小。随后，本文将之前重构的GDL微观结构考虑到该三维PEMFC模型中，研究了重构微观孔隙结构对模型预测性能的影响并与均质传输模型进行了对比，发现两者的预测结果差异显著，尤其是在高电流密度工况下。这是因为在考虑真实GDL结构的模型中，有效电导率是由GDL微观结构直接决定，而在均质模型中，则是通过半经验公式计算得到，这两种方法得到的有效电导率差异显著。
本文的研究工作对深入理解流道中的气-液两相湍流流动和GDL内孔尺度的液态水和氧气传输机制具有重要。本文也是首次基于开源CFD平台OpenFOAM搭建三维低温PEMFC多相流模型，这项工作将会极大的推动高效率、低成本、多功能开源三维PEMFC求解器的开发。