廖珮懿，楊代軍，明平文，薛明喆，李冰，張存滿

（1 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200092；2 同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

從20 世紀(jì)90 年代以來，微反應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)迅猛發(fā)展并成功應(yīng)用于傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)和分析檢測(cè)等領(lǐng)域[1-5]。微反應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分是其中可供流體相互作用和流動(dòng)的微流道，微流道的特征尺度介于微米級(jí)和毫米級(jí)之間[6]，從而使得其具有的主要特點(diǎn)有：比表面積高，傳熱和傳質(zhì)程度增強(qiáng)；微流道中反應(yīng)所需劑量與常規(guī)系統(tǒng)相比大大減少，具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性；當(dāng)微流道特征尺度小于可燃?xì)怏w燃爆的臨界直徑時(shí)可阻礙燃爆過程，使得反應(yīng)更加安全[7]。由于這些特點(diǎn)，可以使化工過程得到強(qiáng)化且易于控制，這也引起了世界各國(guó)學(xué)者對(duì)微化工技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和濃厚的研究興趣。

化工技術(shù)領(lǐng)域中涉及的加氫、氟化、氧化、氯化等許多反應(yīng)體系均與氣-液兩相反應(yīng)體系密切相關(guān)，而微反應(yīng)系統(tǒng)在氣-液兩相反應(yīng)體系中扮演著重要的角色。研究表明，運(yùn)用微反應(yīng)系統(tǒng)可以使液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)和界面面積相較于普通反應(yīng)系統(tǒng)提高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)[8]，還可以迅速地使反應(yīng)氣體加熱到反應(yīng)溫度以及使氣液兩相快速混合，加快反應(yīng)速度[9]，提高轉(zhuǎn)化率和時(shí)空產(chǎn)率[10]。因此，微流道系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用價(jià)值。然而，微流道內(nèi)的流體特性與在常規(guī)尺度下表現(xiàn)出的特性有顯著差異以及氣-液體系所具有的內(nèi)在復(fù)雜性，為了探明氣-液相在微流道內(nèi)的時(shí)空信息以達(dá)到提高反應(yīng)效率的目的，還需要對(duì)微流道內(nèi)氣-液兩相流的三個(gè)關(guān)鍵特征即流型、壓降、傳質(zhì)展開進(jìn)一步的研究和探索。

現(xiàn)今人類社會(huì)對(duì)能源高效利用和可持續(xù)發(fā)展的需求日益迫切，燃料電池作為新型綠色能源系統(tǒng)越來越激發(fā)著人們的興趣。值得關(guān)注的是，燃料電池的發(fā)電過程與氣液兩相流密不可分，燃料電池中反應(yīng)氣從進(jìn)氣口到反應(yīng)位點(diǎn)的傳質(zhì)能力和水管理狀況會(huì)極大地影響其發(fā)電性能和穩(wěn)定性。目前，燃料電池中的流場(chǎng)細(xì)密化也是提高燃料電池性能的關(guān)鍵發(fā)展方向之一。許多研究者認(rèn)為，適當(dāng)減小流道尺寸有利于提升燃料電池性能[11-13]，研究者得到的普遍結(jié)論是應(yīng)當(dāng)把流道尺寸設(shè)置在1mm以內(nèi)[14-16]，因此燃料電池中的精細(xì)流道可以借鑒傳統(tǒng)化工領(lǐng)域中微流道的研究方法并結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行探索。2020年12月，豐田汽車發(fā)布的第二代Mirai 燃料電池汽車的電堆功率密度已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的5.4kW/L，然而提高至7.4kW/L才能與傳統(tǒng)內(nèi)燃車媲美。對(duì)微流道內(nèi)氣液兩相流研究的不斷深入，必然會(huì)促進(jìn)燃料電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，進(jìn)而提升燃料電池性能，實(shí)現(xiàn)功率密度超過9kW/L的目標(biāo)。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。

本文綜述了微流道內(nèi)氣液兩相流的流型、壓降和傳質(zhì)等諸多理論研究與實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新性研究進(jìn)展與成果，并分析了其在燃料電池流場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究中的實(shí)際作用與應(yīng)用前景。

1 微流道內(nèi)氣-液兩相流流型

1.1 流型的界定及其特征

深入認(rèn)識(shí)流型的形成及轉(zhuǎn)換過程是理解氣-液兩相動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵途徑之一，也是了解兩相流其他特性，如壓降和傳質(zhì)的必經(jīng)之路。

在早期的研究中，Xu 等[17]對(duì)泡狀流（bubble flow）、段塞流（slug flow）、攪混流（churn flow）、環(huán)形流（annular flow）給予了清晰的描述。此外還觀測(cè)并說明了三種過渡流型，即帽狀-氣泡流、段塞液滴流和環(huán)形液滴流。帽狀-氣泡流通常出現(xiàn)在氣體流速較低液體流速較高的條件下，當(dāng)氣速增大會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚮炝鳎?dāng)液體流速降低時(shí)會(huì)形成段塞液滴流。段塞液滴流在氣體速度增大的條件下可形成攪混流，當(dāng)處于攪混流后再進(jìn)一步升高氣體速度得到環(huán)形液滴流。該文對(duì)這些流型所描述的主要特征整理如表1所示。

表1 流型及其特征對(duì)照表

Triplett 等[18]發(fā)現(xiàn)了一種過渡流型即段塞-環(huán)形流，該流型是由占據(jù)整個(gè)流道的氣段和直徑突然減小的波浪狀氣體段組成。Kreutzer 等[19]發(fā)現(xiàn)在液體表觀速度非常低時(shí)可形成液膜流（film flow），液體貼著流道壁流動(dòng)，而氣體沿著流道中心流動(dòng)。此外還說明了Taylor 流在其他文獻(xiàn)中的命名，如塞流（plug flow）、氣泡列車流（bubble train flow）和毛細(xì)段塞流、分段流和間歇流等。Taylor流的特征是氣泡直徑占據(jù)整個(gè)流道截面。由于Taylor流具有分散相如一連串的子彈形狀間隔地排布于連續(xù)相液柱中的特點(diǎn)[20]，其在中文文獻(xiàn)中常被稱為彈狀流[21-22]。彈狀流的氣泡因受到壁面接觸角的影響而變形為不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這樣的流型又被稱為小溪流[23-24]。由此可見，文獻(xiàn)中對(duì)流型的命名林林總總，為使讀者清晰的界定各種流型，本文基于上述文獻(xiàn)描述的流型特征，重構(gòu)了各類流型的圖像并以形成條件的表觀氣速和液速之比由低至高排列，如圖1所示。

圖1 微流道中各種氣-液兩相流型重構(gòu)示意圖

1.2 流型形成與轉(zhuǎn)換的影響因素

流型的形成與轉(zhuǎn)換受到微流道的尺寸、表面特性（如接觸角和粗糙度）、傾斜度和流體性質(zhì)（如表面張力和黏度）以及操作條件等因素的影響。因此，以下將從微流道、流體性質(zhì)、操作條件三個(gè)方面，對(duì)流型的影響因素進(jìn)行闡述。

1.2.1 微流道的影響

除微流道的尺寸外，微流道的表面特性也會(huì)改變兩相流流型的形成。Choi 等[28]分別對(duì)接觸角為25°和105°的矩形微流道（dh=0.5mm）進(jìn)行流型的觀測(cè)。其研究發(fā)現(xiàn)，親水壁面可觀測(cè)到泡狀流、長(zhǎng)泡狀流、段塞-環(huán)形流；而疏水壁面則更傾向于形成分層流型即上文提到的液膜流。這主要是因?yàn)樗卧谑杷砻嫔鲜艿礁蟮淖璧K運(yùn)動(dòng)的表面張力作用。另外，微流道的拐角對(duì)經(jīng)過的流體具有顯著的毛細(xì)力作用。因此，在疏水表面上要使液膜環(huán)繞著氣泡運(yùn)動(dòng)，需要更高的能量來克服表面張力和毛細(xì)力。由此疏水的微流道中更易產(chǎn)生獨(dú)特的分層流。Zhou等[29]除了探究流道接觸角的影響，還探究了流道表面粗糙度的影響。這是因?yàn)楸砻娴挠H疏水性除了由表面化學(xué)成分決定其固有的接觸角外，還會(huì)受到固體表面的粗糙度的影響[30]。該文對(duì)接觸角分別為30°、110°以及150°的微流道進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)在接觸角從36°增加到150°的過程中，段塞流所占據(jù)的對(duì)應(yīng)氣速和液速范圍逐漸擴(kuò)大，尤其是當(dāng)接觸角達(dá)到150°時(shí)，液膜流和段塞環(huán)形流完全消失，只剩下段塞流。這是由于當(dāng)壁面疏水程度較高時(shí)，液體與壁面之間的接觸面積減少，而與氣體的接觸面積增大，氣液之間的剪切力減小。因此使流型的變換受到阻礙，從而呈現(xiàn)更少的流型和更寬的邊界范圍。即使在固有接觸角較小時(shí)，表面粗糙度增大也會(huì)使表面疏水性增加，從而呈現(xiàn)疏水特征和大接觸角表面相似的流型產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換規(guī)律。Zhou等[29]的研究與Choi等[28]的研究相比，對(duì)表面親疏水特性的探究不僅限于固有接觸角的探究，還考慮了表面粗糙度的影響，增強(qiáng)了研究結(jié)論的科學(xué)性和正確性。

微流道的研究中通常不考慮重力對(duì)流體的影響，這是由于微流道中Bo（Bo=ρgd2/σ）計(jì)算值通常小于1，重力的作用比起表面張力而言可以忽略[31-32]，但是對(duì)于有液體的壁面往往發(fā)現(xiàn)重力依舊可以對(duì)兩相流產(chǎn)生明顯的作用。如Saisorn等[33]發(fā)現(xiàn)水力直徑為0.53mm 的微流道在垂直放置時(shí)形成了五種不同的流動(dòng)模式，即段塞流、喉環(huán)流（即段塞-環(huán)狀流）、攪混流、環(huán)形流和環(huán)形小溪流，而在同樣的氣速下，垂直向上的微流道中液速較水平方向的低，無(wú)法觀測(cè)到彈狀流，這是因?yàn)樵诖怪毕蛏狭鲃?dòng)中，流動(dòng)慣量和浮力的共同作用會(huì)使段塞流兩端出現(xiàn)彎曲。另外，在水平方向的微流道中觀測(cè)不到環(huán)狀流，這是因?yàn)樵诖怪钡奈⒘鞯乐?，流體垂直向上流動(dòng)，受到浮力和慣性力共同作用形成高動(dòng)能氣芯限制了液相的進(jìn)入，形成了圍繞氣芯的平穩(wěn)液膜。垂直放置和水平放置導(dǎo)致的流動(dòng)形態(tài)的變化如圖2所示，該研究充分說明了管道放置的傾斜度影響了流體所受的合力進(jìn)而影響了其流動(dòng)特性。

圖2 流道放置方式對(duì)流型的影響示意圖[33]

1.2.2 流體特性的影響

除了流道本身，流道內(nèi)的流體性質(zhì)也會(huì)改變兩相流的流型。宋靜[34]發(fā)現(xiàn)在水力直徑為0.4mm的微流道中隨著液體黏度的增加，越容易出現(xiàn)環(huán)形流，并提供考慮了表面張力和黏度的流型map圖。袁希鋼等[35]通過在數(shù)值模擬中設(shè)置流體的物性參數(shù)如密度、黏度和表面張力的方法，考察了不同液體性質(zhì)對(duì)流型的影響，同時(shí)通過改變氣體和液體進(jìn)口速度得到不同流速下的氣液分布流型圖，得出結(jié)論為：隨著表面張力的減小，Taylor流的區(qū)域縮小，而黏度增加對(duì)流型的過渡線移動(dòng)的影響并不明顯。因此袁希鋼等[35]認(rèn)為黏度并不會(huì)顯著地改變流型，這與宋靜[34]認(rèn)為黏度增加促進(jìn)了環(huán)形流的產(chǎn)生結(jié)論是不一致的，這可能是因?yàn)檠芯康牧黧w種類不同，黏度的范圍差異較大，如袁希鋼[30]研究的黏度范圍是0.001～0.05Pa·s，而宋靜[34]探究的黏度范圍是0.0008～0.006Pa·s，因此在不同黏度范圍內(nèi)探討流體性質(zhì)對(duì)流型的影響可能會(huì)得到不同的結(jié)論。由此可見，對(duì)于微流道中的兩相流問題的研究，必須具體問題具體分析，不能簡(jiǎn)單地套用前人的結(jié)論。

1.2.3 操作條件的影響

在流道和流體既定的條件下，操作條件也會(huì)影響流型的形成與轉(zhuǎn)換。Puccetti等[36]對(duì)Taylor流對(duì)應(yīng)的表觀氣、液速范圍內(nèi)從下限值到上限值進(jìn)行調(diào)整，得到了細(xì)分的Taylor 流型，即Taylor 環(huán)流和按氣泡長(zhǎng)度將Taylor 流劃分的長(zhǎng)、中、短Taylor 流。分別研究了這些流型的氣泡長(zhǎng)度和空隙率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流道出口處氣泡的平均長(zhǎng)度和空隙率與液體表觀速度的大小密切相關(guān)。當(dāng)表觀液體速度減小時(shí)，氣泡長(zhǎng)度增加，段塞態(tài)演變?yōu)榄h(huán)形態(tài)。該研究的一個(gè)重要意義是對(duì)低氣速、低液速范圍內(nèi)微流道的流型進(jìn)行了補(bǔ)充和細(xì)化。Lim 等[37]同樣是對(duì)Taylor 流進(jìn)行進(jìn)一步的研究，前人的研究[26,28,35-36]中的氣液入口夾角均為90°，而該文對(duì)氣液注入角進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)。他們考察了入口處的兩相夾角分別為20°、45°、90°、135°和160°時(shí)對(duì)Taylor 流的影響，并采用理論計(jì)算的方式對(duì)氣泡長(zhǎng)度和液體段體積進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)圖像處理后所得的兩相尺寸進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)氣速、液速都不變時(shí)，入口處的兩相夾角小于90°會(huì)導(dǎo)致氣泡和液滴在入口處占據(jù)的截面面積增大，氣泡尺寸和單個(gè)氣-液?jiǎn)卧捏w積增大。而當(dāng)夾角大于90°時(shí)，液相注入后的流動(dòng)方向與氣相流動(dòng)方向互逆，使得氣泡不能擴(kuò)散至占據(jù)匯聚處的整個(gè)截面而使氣泡體積增大。因此，入口夾角大于90°時(shí)產(chǎn)生的氣泡更密，氣泡的比表面積也更大。這正是化工領(lǐng)域的研究者們所期待的結(jié)果，因?yàn)榉磻?yīng)物的比表面積增大一般可以提高反應(yīng)效率。該結(jié)論可以為調(diào)控微流道反應(yīng)系統(tǒng)以強(qiáng)化化工反應(yīng)過程提供理論支撐。

綜上所述，研究者們通過改變流道的尺寸，表面特性和流體性質(zhì)以及操作條件得到多種多樣的流型并建立了這些影響因素與流體形態(tài)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文將近年來研究者對(duì)這些影響因素的代表性研究成果進(jìn)行整理概括，并以論文報(bào)道的時(shí)間順序展示于表2之中。由表2及前文可知，隨著研究時(shí)間的推移，后序的研究主要是對(duì)前人探究范圍和影響因素的補(bǔ)充與完善，逐漸得出了較為完善的流型圖數(shù)據(jù)庫(kù)。但是不同流型之間的界限有時(shí)并不明朗，若要準(zhǔn)確地控制和預(yù)測(cè)流型還需要對(duì)流型轉(zhuǎn)化的原因進(jìn)行更深層次的解釋，可通過細(xì)化考察其影響因素并從兩相界面入手進(jìn)行解釋。如王長(zhǎng)亮等[38]則是進(jìn)一步通過數(shù)值模擬細(xì)化研究了8組接觸角的影響并解釋了壁面接觸角的改變是如何引起流型的轉(zhuǎn)換的。其研究說明了接觸角的增大會(huì)使氣液相界面的形狀由凸變凹，在疏水狀態(tài)下，氣體更傾向于貼緊壁面，形成漩渦。這使得液相對(duì)氣相的剪切力減弱使氣泡生成周期增長(zhǎng)從而轉(zhuǎn)變?yōu)樾∠鳌５壳斑@類針對(duì)界面解釋的報(bào)道較少，還需要有更深入的研究。另外，由于制造工藝的精確度限制，流道的截面通常不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)值那樣完全規(guī)整，截面傾角、弧度的改變等因素的影響探究還有待進(jìn)一步考察。

表2 微流道內(nèi)氣-液兩相流流型的研究進(jìn)展

2 微流道內(nèi)氣-液兩相流的壓力降

微流道內(nèi)氣液兩相流的壓力降是工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要考察參數(shù)，因?yàn)閴航颠^大會(huì)使系統(tǒng)能耗增加，降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，而且也容易使零部件受到損壞。因此，探究壓力降的影響因素，是降低壓力損失和能耗，提高系統(tǒng)效率的理論基礎(chǔ)。本文由回顧壓力降的預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展分析影響壓降的因素，進(jìn)而提出降低壓力降的有效途徑。

2.1 壓力降的預(yù)測(cè)模型

微流道內(nèi)氣液兩相流的壓力降主要由三部分組成：摩擦壓力降、加速度壓力降以及連接管路到微流道進(jìn)口管徑差異帶來的壓力降。相較于摩擦壓力降，另外兩種壓力降比例加起來不足1%[39]，因此目前文獻(xiàn)研究的壓力降主要針對(duì)摩擦壓力降。

摩擦壓力降有兩種經(jīng)典的預(yù)測(cè)模型：一種是均勻流動(dòng)模型，如式(1)所示[40]；另一種為分離流動(dòng)模型，如式(2)所示[41]。

式中，χ為液相壓降與氣相壓降之比；C為Chisholm參數(shù)，代表著兩相流的相互作用效應(yīng)，與流體所處的流動(dòng)狀態(tài)（層流/湍流）及微流道的尺寸等因素有關(guān)，是研究者們基于分離流動(dòng)模型修正的主要對(duì)象。

研究者們分別對(duì)這兩種模型進(jìn)行預(yù)測(cè)值的計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)值作對(duì)比，以期尋找與特定微流道內(nèi)實(shí)際壓降相匹配的模型。由Venkatesan 等[27]的研究可知，在微流道中無(wú)法形成如傳統(tǒng)流道中的氣相和液相均勻混合的分散氣泡流，這就使得微流道中的氣-液兩相流難以滿足均勻流動(dòng)模型要求的氣-液相需均勻混合條件。因此，微流道中的摩擦壓力降預(yù)測(cè)應(yīng)該圍繞著分離流動(dòng)模型展開，這一結(jié)論在Kawahara 等[42]的研究中得到了證明。Kawahara 等[42]研究了直徑為0.1～1mm 微流道內(nèi)單相流和氮?dú)?水兩相流的壓降。其研究結(jié)果為：微流道內(nèi)處于層流狀態(tài)的單相流的摩擦壓力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式與在傳統(tǒng)流道中的表達(dá)沒有差異，但在實(shí)驗(yàn)中兩相流的摩擦壓力降數(shù)據(jù)顯示，其實(shí)驗(yàn)數(shù)值與通常應(yīng)用于預(yù)測(cè)傳統(tǒng)流道的均勻流動(dòng)模型的輸出結(jié)果相比，一致性較差，誤差高達(dá)±20%。而采用由Lee 等[43]對(duì)Chisholm 值進(jìn)行修正的分離流動(dòng)模型（Chisholm 值在氣-液兩相均為層流時(shí)與液相的密度、速度和雷諾數(shù)以及流道水力直徑成正比，而與液相黏度成反比；當(dāng)任意一相處于湍流時(shí)只與雷諾數(shù)成正比）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。由此證明了分離流動(dòng)模型更適用于微流道內(nèi)的氣-液兩相流摩擦壓力降預(yù)測(cè)。

式中，δ為修正的液段長(zhǎng)度；Δ為液膜厚度；fi為氣液界面摩擦系數(shù)，見式(6)[48]。

由上述分析可得，前人關(guān)于微流道中壓力降預(yù)測(cè)模型的研究成果提供了三大類模型，即基于均勻流動(dòng)模型和分離流動(dòng)模型的一系列修正模型以及基于流型確定的模型。其中，基于分離流動(dòng)模型和特定流型下的預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值更為吻合。但是，目前的預(yù)測(cè)精度還有待提高，還需要在此基礎(chǔ)上依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行修正。

2.2 壓力降影響因素分析

綜合上述預(yù)測(cè)模型的表達(dá)式可知，不同的流型對(duì)應(yīng)的壓力降大小不同，而同一流型下壓力降的值也會(huì)根據(jù)微流道的水力直徑、幾何形狀和流體性質(zhì)（密度、黏度等）以及流體速度的改變而改變。Choi等[49]發(fā)現(xiàn)在不同流態(tài)下，壓力降隨氣速的變化趨勢(shì)是不同的。當(dāng)流型呈泡狀流和環(huán)形流時(shí)，壓力降隨著氣體表觀速度增大而增大；而在過渡流態(tài)中，壓降隨著氣速的增大反而減少。總體來看壓力降的大小排序?yàn)椋涵h(huán)形流>過渡流型>泡狀流。Barreto等[50]對(duì)探究的流型范圍進(jìn)行了擴(kuò)充。該文對(duì)直徑為1.2mm 的圓管中的環(huán)形流、泡狀流、段塞流、攪混流進(jìn)行了壓降的探究。測(cè)量得到壓力降的排序?yàn)椋涵h(huán)形流>段塞流>攪混流>泡狀流。

微流道的尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)壓降的影響對(duì)于微流道的設(shè)計(jì)而言是十分重要和必要的。由Pamitran 等[51]的研究可知，微流道的直徑減?。ㄓ?mm 減小至0.5mm）會(huì)引起微流道內(nèi)的壓力降增大。Sempértegui-Tapia 等[52]對(duì)具有不同截面形狀的微流道在當(dāng)量直徑[53]幾乎相同的條件下進(jìn)行探究。其研究結(jié)論為微流道不同截面形狀的壓力降排序?yàn)椋喝切?矩形>圓形。其研究還指出了流體質(zhì)量流量對(duì)壓降的影響，即流體質(zhì)量流量的增大會(huì)導(dǎo)致壓力降增大。

在既定的微流道內(nèi)，即使呈現(xiàn)同一種流型，流體的性質(zhì)（密度、黏度）也會(huì)使壓力降值發(fā)生改變。Yao 等[54]研究了流體黏度對(duì)微流道中彈狀流的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著流體黏度的增大，瞬時(shí)的液體流量也增大，使得液相加速對(duì)氣泡的擠壓導(dǎo)致氣泡的長(zhǎng)度變短，其相應(yīng)的壓降也隨之增大。

結(jié)合預(yù)測(cè)模型的公式及實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力降變化規(guī)律，可以為微流道的設(shè)計(jì)和流體的選擇提供降低壓力降的參考方案，有利于提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

3 微流道內(nèi)氣-液兩相流的傳質(zhì)

微流道內(nèi)的氣-液兩相傳質(zhì)能力是化工生產(chǎn)中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一。這是因?yàn)槲⒘鞯赖奶卣鞒叽缥⑿』?，兩相之間緊密接觸，接觸面積大大增加，使得傳質(zhì)效率提高進(jìn)而提高化工反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率。

3.1 傳質(zhì)分析及預(yù)測(cè)模型

研究者們采用傳質(zhì)系數(shù)以表征微流道內(nèi)的氣-液兩相的傳質(zhì)能力，并提出了預(yù)測(cè)傳質(zhì)系數(shù)的模型。早在1997年，Tortopidis等[55]測(cè)量了CO2與水接觸后的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)，其表達(dá)式見式(7)。

式中，Ce為該溫度下氣相的飽和濃度；C0為氣相入口濃度；C1為氣相出口濃度；ULS為液體表觀速度。

Tortopidis等[55]采用平均體積傳質(zhì)系數(shù)研究了不同流型下的傳質(zhì)能力，其研究表明，氣-液兩相流的傳質(zhì)系數(shù)與流型密切相關(guān)，分層流的傳質(zhì)系數(shù)最低，而環(huán)形流傳質(zhì)系數(shù)最高。特別地，當(dāng)固定表觀液速時(shí)，段塞流的傳質(zhì)系數(shù)將不會(huì)隨氣速的變化而變化。Yue等[8]研究了水力直徑更?。╠h=0.667mm）的矩形微流道內(nèi)的氣-液兩相流傳質(zhì)特性。研究中得到了CO2和水的兩相流型有段塞流、段塞-環(huán)形流和攪混流，并采用物理吸收法得到了不同流型下的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)，同時(shí)還針對(duì)這三種流型分別給出了預(yù)測(cè)方程[段塞流的傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)方程如式(8)、式(10)，另兩種流型的預(yù)測(cè)方程如式(9)、式(10)]，且預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在該研究中液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)和界面面積可分別高達(dá)21s-1、9000m2/m3，比傳統(tǒng)尺度的流道中相應(yīng)的值高出1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，也證明了微流道在氣-液化學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的巨大潛力。

式中，Sc為施密特?cái)?shù)，Sc=μ/ρD；D為擴(kuò)散率。

Zhang 等[56]在 深 度 分 別 為0.8mm、1.45mm、3mm的矩形微流道（寬1mm、長(zhǎng)60mm）中觀測(cè)到了液膜以及液膜降落的流動(dòng)形態(tài)，并對(duì)液膜流型進(jìn)行了傳質(zhì)特征的探究。其得到細(xì)分的三種液膜流分別為角膜流、帶干燥斑的下降膜流和完全下降膜流，對(duì)比發(fā)現(xiàn)第三種流動(dòng)狀態(tài)傳質(zhì)能力最強(qiáng)，而越淺的流道深度更容易在低液速下得到這種流型。由此說明不同的流型對(duì)應(yīng)著高低不一的傳質(zhì)能力，因此后續(xù)的傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)模型大多基于某一種特定的流型進(jìn)行預(yù)測(cè)。Sobieszuk 等[57]研究了直徑為0.4mm的圓柱形微流道中Taylor氣液兩相流型的傳質(zhì)系數(shù)和界面面積，先將Taylor流的傳質(zhì)系數(shù)分為帽端和膜處兩部分，分別記為kLC和kLF，進(jìn)一步地在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這兩部分?jǐn)?shù)值相差不大，因此提出了一種新的預(yù)測(cè)公式，可以適用于kLC和kLF的計(jì)算，見式(11)和式(12)。

Yang等[58]將泡狀流的發(fā)展階段進(jìn)行劃分，討論了氣泡流動(dòng)階段和氣泡形成階段的傳質(zhì)特征并根據(jù)這兩個(gè)階段給予預(yù)測(cè)方程。該文開發(fā)了一種在線測(cè)量泡狀流總傳質(zhì)系數(shù)的方法對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果說明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。研究發(fā)現(xiàn)，在氣泡形成階段，傳質(zhì)系數(shù)與氣體的體積分?jǐn)?shù)和毛細(xì)數(shù)Ca 成正比，而在氣泡流動(dòng)階段，傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算與兩相雷諾數(shù)和施密特?cái)?shù)成正比。

由上述研究可以得到流型與傳質(zhì)之間的相互關(guān)系以及各種流型下的傳質(zhì)模型，通過這些關(guān)系式可以了解到影響傳質(zhì)的因素，并為進(jìn)一步提升兩相流的傳質(zhì)能力奠定了良好的理論基礎(chǔ)。然而，傳質(zhì)過程在流型過渡時(shí)的變化及其合適的預(yù)測(cè)模型還有待于在實(shí)際問題中進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

3.2 增強(qiáng)傳質(zhì)的途徑

由上述各種流型的傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式可知，傳質(zhì)系數(shù)隨著氣-液兩相的雷諾數(shù)增大而增大。在近兩年（2019—2020 年）發(fā)表的文獻(xiàn)中，非規(guī)則型流道結(jié)構(gòu)被開發(fā)，以增大微流道內(nèi)氣-液兩相的擾動(dòng)程度即增大氣-液兩相的雷諾數(shù)，由此提高微流道中氣-液兩相的傳質(zhì)能力。Yin等[59]在微流道中設(shè)置擋板，來提高其微流道內(nèi)氣-液兩相的傳質(zhì)能力以增加CO2在MEA/[Bmim][BF4]溶液中的吸收量。同時(shí)，進(jìn)一步地研究了擋板的尺寸對(duì)傳質(zhì)和壓降的影響，分別設(shè)置擋板在橫截面中延伸出0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。研究發(fā)現(xiàn)，傳質(zhì)系數(shù)隨著擋板延伸寬度增加而增大。當(dāng)擋板延伸寬度為0.4mm 時(shí)，由于增強(qiáng)了擾動(dòng)、加快了流體的速度，液相雷諾數(shù)增加，傳質(zhì)系數(shù)隨之增大，然而壓降也隨著擋板延伸寬度的增加而升高。當(dāng)延伸寬度為0.4mm 時(shí)，壓降比起沒有擋板的流道增加了0.3kPa，增長(zhǎng)率為20%，但是傳質(zhì)的強(qiáng)化效果更顯著，傳質(zhì)系數(shù)增大了1.5 倍。因此綜合考慮，這個(gè)壓降在化工過程中還是可以接受的。Yin 等[59]采用的是使截面突然變小的方法改變流體的流動(dòng)方向，而Zhang 等[60]則是運(yùn)用該思路的相反方向即采用流道截面突然變大的方法來達(dá)到相同的目的。Zhang等[60]的研究開發(fā)了一種具有突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的微流道來增強(qiáng)微流道中CO2-[Bmim][BF4]體系的傳質(zhì)能力。該文對(duì)兩相流流速和突擴(kuò)單元數(shù)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，對(duì)于同一個(gè)流道，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)（kLa）隨著氣-液流量比的增大而增大，這是因?yàn)殡S著氣液流量比的升高，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)使旋渦明顯增強(qiáng)，加速了液段塞的內(nèi)部循環(huán)和液膜與液塞之間的液體交換。而在同一氣液流量比下，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)使氣泡被更多的液體包圍，促進(jìn)了液膜表面的更新，從而增強(qiáng)了氣泡與周圍液體之間的傳質(zhì)。此外，kLa隨突擴(kuò)單元數(shù)的增加而增加，由此證明了突擴(kuò)結(jié)構(gòu)有利于氣液兩相傳質(zhì)。除了通過改變截面面積外，研究者還通過構(gòu)建新型流道結(jié)構(gòu)以促進(jìn)流道內(nèi)的傳質(zhì)過程。如Zheng 等[61]開發(fā)了一種樹狀流道結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果共同證實(shí)了在該結(jié)構(gòu)中由于流道尺寸的快速變化和流道壁面的影響，氣相在壓降的作用下在樹狀入口處加速后與擋板壁發(fā)生碰撞，氣相的動(dòng)量隨之發(fā)生變化，大的氣泡被破碎成較小的氣泡。部分氣泡通過流道進(jìn)入兩側(cè)的微流道，流經(jīng)單元，并在到達(dá)下一個(gè)樹狀單元入口之前由于壁的擠壓而合并成更大的氣泡。另一部分氣泡在和壁面碰撞后與喉部（兩個(gè)樹狀單元交接處）流出的氣泡匯合。這種碰撞進(jìn)一步增強(qiáng)了混合效率，放大了來自不同方向的氣泡合而引起的擾動(dòng)，促進(jìn)了湍流域的擴(kuò)張，增大了兩相雷諾數(shù)使得傳質(zhì)系數(shù)增大。文中進(jìn)一步地對(duì)左右兩流道夾角從45°～90°進(jìn)行了7 組角度的優(yōu)化探究，結(jié)果表明當(dāng)夾角為67.5°時(shí)界面系數(shù)最大且壓降較小。由此可知，通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)以改變兩相流動(dòng)矢量可以達(dá)到增強(qiáng)傳質(zhì)和降低壓降的目的。

為了形象地說明上述研究構(gòu)造的特殊結(jié)構(gòu)，本文將特殊的流道形狀重構(gòu)于圖3中。其中，第一種如圖3(a)所示為內(nèi)嵌擋板，在直流道的基礎(chǔ)上，兩側(cè)以一定間隔錯(cuò)開向內(nèi)凸起形成矩形擋板。圖3(b)所示為對(duì)稱的突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，流體在流經(jīng)一段直流道后進(jìn)入帶圓角的寬度增大的單元再回到直流道，如此往復(fù)。還有脫離直流道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)流道，如圖3(c)所示的樹狀流道，氣體和液體由樹狀結(jié)構(gòu)的底部進(jìn)入，然后沿著逐漸變窄的流道進(jìn)入一個(gè)狹窄的“喉口”，通過后再向兩側(cè)擴(kuò)散，由此周期性地改變流體的流動(dòng)方向。上述研究進(jìn)展清晰地分析了與傳質(zhì)系數(shù)成正比的相關(guān)參數(shù)，并采用改變微流道結(jié)構(gòu)的方式以增大相關(guān)參數(shù)。由此可以廣泛地應(yīng)用于氣體的吸收、氟化、加氫等化工過程中提高反應(yīng)效率。在這些研究基礎(chǔ)上，還可以通過構(gòu)建新型的流道結(jié)構(gòu)來增大流體的雷諾數(shù)，以及減小微流道的水力直徑以促進(jìn)氣-液兩相之間的傳質(zhì)。

圖3 特殊結(jié)構(gòu)微流道剖面三維示意圖

4 微流道氣-液兩相流研究在PEMFC的流場(chǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

在燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其操作溫度低、體積比功率密度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而其真正商業(yè)化應(yīng)用之前還需繼續(xù)提升功率密度，同時(shí)解決大電流密度發(fā)電時(shí)的水管理難題。正因?yàn)镻EMFC 最佳操作溫度為80℃左右，水必然是以氣-液兩相并存。如何保證質(zhì)子交換膜（PEM）中保持適量的水分，以促進(jìn)質(zhì)子的傳遞，又不致由于水含量過多而造成催化層水淹，就成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題，尤其是在車載工況下高低電流頻繁變化時(shí)，該問題進(jìn)一步加劇，成為影響PEMFC 穩(wěn)定運(yùn)行甚至縮短壽命的主要因素之一。PEMFC 的性能提升，除了解決排水問題外，還需強(qiáng)化反應(yīng)氣特別是陰極空氣的傳質(zhì)過程以確保大電流下氧氣向催化層的及時(shí)供應(yīng)。因此，PEMFC中（尤其陰極）的氣-液兩相流過程和規(guī)律值得深入研究，并應(yīng)用于流場(chǎng)這一關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

PEMFC 的流道位于雙極板上，起著氣體傳輸和水排除的作用。許多研究[14-16,62-63]表明具有精細(xì)流道的雙極板（流道特征尺寸小于1mm）有利于輸氣和排水。因此，本文重點(diǎn)闡述在精細(xì)流道中應(yīng)用微流道氣-液兩相流的研究方法進(jìn)行相關(guān)研究的進(jìn)展。

4.1 PEMFC精細(xì)流道中氣-液兩相流的流型

結(jié)合前述微流道中氣-液兩相流流型的研究，在不同的氣體速度和液體速度下會(huì)得到不同的流型，而不同的流型中氣-液兩相分布的不同會(huì)改變流體的運(yùn)動(dòng)特性以及氣-液兩相在整個(gè)流場(chǎng)的均勻性。這在Lu 等[64]的關(guān)于燃料電池的精細(xì)流道內(nèi)的兩相流研究中得到說明，該研究通過實(shí)際的燃料電池工況計(jì)算得到相應(yīng)的表觀氣速和表觀液速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低氣速下，平行流道中其中一條或幾條流道出現(xiàn)段塞流或半段塞流時(shí)會(huì)使該流道氣流量下降，并且使得排水變得困難，同時(shí)整個(gè)流場(chǎng)的氣體流量分布變得不均勻。當(dāng)表觀氣速增大到8m/s 時(shí)，形成液膜流，該流型下氣流量的波動(dòng)小于4.3%，說明水并未堵塞流道。當(dāng)表觀氣速再進(jìn)一步增大到計(jì)量比大于10 時(shí)形成霧流，液滴直接從粗糙氣體擴(kuò)散層（GDL）表面被氣體帶走，使得流道中沒有水的累積，該流型與單相流的呈現(xiàn)基本一致，也不會(huì)造成水淹。但是霧狀流的形成需要的氣速太高導(dǎo)致泵的能耗大增。綜合來看，液膜流是PEMFC 中最理想的流型，因?yàn)樗呐潘芰^好且不需要非常高的壓降。該文清晰地闡述了在燃料電池通常的工況下產(chǎn)生的流型及其形成條件，并分析了其排水能力，但是并未與真實(shí)的燃料電池發(fā)電過程直接關(guān)聯(lián)。若要直接關(guān)聯(lián)則需進(jìn)行燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)并原位觀測(cè)其中的兩相流。如Hussaini等[65]采用透明極板進(jìn)行性能測(cè)試并同步觀測(cè)兩相流流型的方法研究實(shí)際燃料電池工況下的兩相流型。研究發(fā)現(xiàn)，在低電流密度下呈現(xiàn)的是單相流偶有少量液滴；當(dāng)電流密度增大，液滴增多，并逐漸過渡為液膜流，而隨著產(chǎn)水量的繼續(xù)增加，環(huán)狀膜流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?。段塞流將?huì)堵塞該流道而導(dǎo)致較大的壓降，此時(shí)同步發(fā)電的電壓損失增大，由此得到燃料電池性能與流型的關(guān)聯(lián)。

在流型和燃料電池性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)上，可以通過觀測(cè)具有不同參數(shù)，如流道截面、流道表面特性、流道尺寸等的流道內(nèi)的流型來評(píng)估這些參數(shù)對(duì)性能的影響，從而優(yōu)化流道設(shè)計(jì)。Lu等[66]在其之前的研究[65]基礎(chǔ)上對(duì)流道表面潤(rùn)濕度（接觸角分別為11°、85°、116°）和流道截面（矩形、模擬金屬?zèng)_壓得到的正弦形和模擬石墨板制造得到的梯形截面）以及流道放置方向（水平和豎直）的流型進(jìn)行了探究。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的表觀氣速下親水表面更易形成薄膜流，而疏水表面傾向于形成段塞流，因此親水表面更有利于水的排出。此外，該研究還指出，正弦形截面流道比起矩形和梯形更容易形成薄膜流，這是因?yàn)檎也鞯琅c矩形和梯形相比，具有獨(dú)特的連續(xù)圓形輪廓，這使得液態(tài)水更容易在整個(gè)流道表面擴(kuò)散，并以膜流的形式沿流道輸送，從而降低了流道內(nèi)的持水率。在關(guān)于放置方式的影響探究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放置方式從垂直方向過渡到水平方向時(shí)，需要更高的表觀氣速才能得到薄膜流，在低氣速下水平放置更傾向于得到段塞流，這是因?yàn)樵诖怪狈胖脮r(shí)，重力與氣體流動(dòng)方向相同使得在氣體剪切力和重力的合力下液滴更容易移動(dòng)。根據(jù)該研究可以得到一個(gè)流道參數(shù)及操作方式的優(yōu)化方案，即親水的、正弦截面的流道在垂直放置時(shí)更容易將水排出并使得流體在平行流場(chǎng)中分布更為均勻。Malhotra 等[67]則是借鑒了對(duì)不同尺寸的微流道內(nèi)氣-液兩相流的研究方法[18,20]探究了流道水力直徑和放置方式的影響，具體為設(shè)置流道水力直徑分別為1.65mm、1mm和0.65mm，以比較燃料電池蛇形流場(chǎng)中的小流道（dh>1mm）和精細(xì)流道（dh<1mm）在不同放置方向和不同We（We=ρu2L/σ）下的流型呈現(xiàn)差異。該文通過對(duì)比不同尺寸的流道中兩相的We可知微流道中主導(dǎo)流型的力是氣體的慣性力，而水力直徑更大的流道中的主導(dǎo)力是表面張力。研究中根據(jù)電流密度與氣體流量的表達(dá)式將微流道兩相流和燃料電池工況結(jié)合起來進(jìn)行探究，其探究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著流道水力直徑的減小流型的種類也隨之減少；并且當(dāng)流道水力直徑dh≤1mm時(shí)，在不同放置方向的條件下流型結(jié)果差異不大。此外，還發(fā)現(xiàn)在同樣的We（0.1

上述這些研究均是采用了前文所述的探究微流道內(nèi)氣-液兩相流流型的影響因素的方法以探究流道的尺寸、形狀和表面特性以及放置方式對(duì)燃料電池實(shí)際工況下出現(xiàn)的流型的影響，由此可以對(duì)流道各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)和操作條件的選擇提供優(yōu)化方案。

4.2 PEMFC精細(xì)流道中的壓力降

許多研究都表明精細(xì)流道有利于燃料電池性能的提高，如Cooper等[68]實(shí)驗(yàn)研究了流道寬度和深度對(duì)交指型流場(chǎng)和平行流場(chǎng)的影響。發(fā)現(xiàn)水力直徑為0.25mm、0.5mm 和1mm 的流道中，流道寬度的減小有利于極限電流密度提高。Scholta等[12]通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬得到極化曲線和氧氣分布認(rèn)為0.7～1mm的流道寬度和脊寬較有利于燃料電池性能的提高，窄流道可得到更高的電流密度。這些研究均證明了細(xì)密化流場(chǎng)的優(yōu)越性。但是流道也不能一味地變窄，因?yàn)榱鞯雷冋藭?huì)使可加工性變差外，還會(huì)使得壓降升高[51,69]。此外過大的壓力降也可能會(huì)造成陰陽(yáng)極兩側(cè)氣壓差增大，從而使炭紙或PEM 的機(jī)械強(qiáng)度受損。另外，如果流道內(nèi)有液態(tài)水阻礙氣體流動(dòng)，也會(huì)增加流道內(nèi)的壓降，因此壓降可作為流道內(nèi)是否發(fā)生水淹的一個(gè)表征。Hsieh 等[70]對(duì)不同流場(chǎng)類型，如平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)和交指型流場(chǎng)以及網(wǎng)狀流場(chǎng)中的壓降進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)壓降由大到小的順序?yàn)椋航恢噶鲌?chǎng)>蛇形流場(chǎng)>平行流場(chǎng)>網(wǎng)狀流場(chǎng)，持水量大小的排序與壓降的大小排序一致。

雖然壓降過高有上述缺陷，但是去除流道中的水滴需要一定的壓降，這個(gè)最小壓降值與流道的設(shè)計(jì)有關(guān)。Gopalan 等[71]則研究了具有梯形截面的流道中的開口角設(shè)計(jì)與這一最小壓降值的關(guān)系。該研究提供了液滴接觸流道壁面所需的最小壓降公式，該公式表明最小壓降是梯形截面開口角和氣體速度的函數(shù)，開口角越大所需的最小壓降也越大。除了出入口的壓降，還有一些基于壓降的指標(biāo)可以衡量水淹情況，如Coeuriot 等[72]采用壓降比壓降波動(dòng)以及兩相流比上單相流的壓降作為衡量流道是否容易發(fā)生水淹的指標(biāo)，從而優(yōu)化流道的深度以及表面的親疏水性。其結(jié)果表明，流道深度越小，越容易產(chǎn)生段塞流，壓降波動(dòng)越大，而流道親水表面有利于形成液膜和減小壓降。

由上述研究可得，利用壓降作為參考指標(biāo)可以對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的類型和流場(chǎng)中流道的尺寸、截面幾何結(jié)構(gòu)和表面特性等進(jìn)行優(yōu)化。因此，合理的流道壓降就成為了流場(chǎng)優(yōu)化的一個(gè)目標(biāo)。當(dāng)然，若可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓降則可以為流場(chǎng)設(shè)計(jì)提供一個(gè)有效的借鑒方向。Mortazavi等[73]將典型的微流道中兩相流的壓降預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于燃料電池中的壓降預(yù)測(cè)，對(duì)在燃料電池工況下的氣-液兩相流的實(shí)測(cè)值與以往已發(fā)表的氣-液兩相流的9 種預(yù)測(cè)模型（包括了基于均勻流動(dòng)模型和分離流動(dòng)模型）進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果與微流道的氣-液兩相流壓降結(jié)果一致。均勻流動(dòng)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏離較大，而在分離流動(dòng)模型中由Mishima等[74]提出的氣-液兩相流壓降預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高（誤差在30%以內(nèi)且53.7%的數(shù)據(jù)點(diǎn)在誤差10%以內(nèi)），但是該模型只考慮了流道的幾何結(jié)構(gòu)沒有考慮表面能和表面張力，因此該模型還有待進(jìn)一步的修正。此外，目前針對(duì)燃料電池實(shí)際工況構(gòu)建壓力降預(yù)測(cè)的研究還較少，并且燃料電池中的精細(xì)流道與通常的微流道的結(jié)構(gòu)不同，精細(xì)流道由三個(gè)流道壁面和具有孔隙結(jié)構(gòu)的GDL 組成。因此，燃料電池中的流道具有特殊壁面結(jié)構(gòu)和材質(zhì)從而不能照搬傳統(tǒng)微流道內(nèi)的壓力降預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)精細(xì)流道內(nèi)的壓力降，需要基于微流道內(nèi)氣-液兩相流的壓力降預(yù)測(cè)模型的研究基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際流道的特征及操作條件構(gòu)建針對(duì)燃料電池內(nèi)的流道的預(yù)測(cè)模型，以更好地優(yōu)化燃料電池的流場(chǎng)設(shè)計(jì)。

4.3 PEMFC流場(chǎng)中的傳質(zhì)

微流道內(nèi)氣-液兩相的傳質(zhì)與燃料電池中所闡述的傳質(zhì)是不同的，前者是氣液直接接觸的傳質(zhì)，而在燃料電池的流道中的傳質(zhì)主要指對(duì)流質(zhì)量傳輸。對(duì)流傳輸系數(shù)與舍伍德數(shù)Sh 成正比，而Sh 與雷諾數(shù)成正比。因此，前述增大微流道內(nèi)氣-液兩相的傳質(zhì)系數(shù)的方法即增強(qiáng)流體的擾動(dòng)以增大流體雷諾數(shù)的方法，在增強(qiáng)燃料電池陰極的流道內(nèi)氧氣向反應(yīng)位點(diǎn)的輸運(yùn)中是可以沿用的，由此可以促進(jìn)反應(yīng)氣體向垂直流道方向即催化層方向擴(kuò)散。因而許多研究者對(duì)流場(chǎng)的調(diào)整改進(jìn)與前述微流道中增強(qiáng)傳質(zhì)的手段相似，采取了突擴(kuò)結(jié)構(gòu)[60]、增加擋板[59]和構(gòu)建新型結(jié)構(gòu)[61]的方式來增強(qiáng)傳質(zhì)。如Ramin等[75]設(shè)計(jì)了具有突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的矩形流場(chǎng)，其探究發(fā)現(xiàn)截面突變使反應(yīng)氣體迅速產(chǎn)生平行于擴(kuò)散層方向的橫向擴(kuò)張和收縮，能夠增強(qiáng)反應(yīng)氣體向電極的擴(kuò)散能力。除此之外還可以通過在流道中設(shè)置擋板促進(jìn)反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層傳質(zhì)，Shen等[76]通過在蛇形流場(chǎng)中設(shè)置矩形擋板發(fā)現(xiàn)，隨著擋板堵塞的增加，增強(qiáng)了氣流的擾動(dòng)從而改善PEMFC的性能。進(jìn)一步地，還可以通過改變流道的維度構(gòu)建新型結(jié)構(gòu)來改善傳質(zhì)，如豐田的三維精細(xì)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖4）[77]。這種三維結(jié)構(gòu)通過斜向的導(dǎo)流槽將反應(yīng)氣的傳輸向催化層方向引導(dǎo)，增強(qiáng)了反應(yīng)氣向催化層的傳遞。此外由于三維結(jié)構(gòu)單元尺寸的微小化，使得流場(chǎng)上密集地分布著這些導(dǎo)流槽，這也使得反應(yīng)氣在整個(gè)反應(yīng)區(qū)中的分布更加均勻。在豐田公司的精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)流場(chǎng)發(fā)布后，它成為了流場(chǎng)優(yōu)化的一個(gè)熱點(diǎn)方向，如降低流道的尺寸、增加導(dǎo)流槽的角度等[78]，精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)的研究也趨于完善。但是除了這種網(wǎng)格線三維結(jié)構(gòu)，是否還可以構(gòu)造其他種類的三維結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)傳質(zhì)，還需要研究者們作進(jìn)一步的探究。

圖4 豐田3D精細(xì)化流場(chǎng)[77]

綜上所述，在燃料電池的氣-液兩相流研究中運(yùn)用微流道的流型控制條件的研究成果，可以為燃料電池流場(chǎng)優(yōu)化提供三大思路。第一，結(jié)合對(duì)燃料電池排水有利的流型研究，可確定期望的流型及其相應(yīng)的微流道設(shè)計(jì)和操作要求。第二，可應(yīng)用微流道內(nèi)氣-液兩相流建立壓力降的方法來預(yù)測(cè)燃料電池流道內(nèi)的壓力降，從而通過確定壓力降的影響因素來調(diào)整流道的設(shè)計(jì)以減小流道內(nèi)的壓力降。第三，除了排水外，流場(chǎng)設(shè)計(jì)還需要促進(jìn)反應(yīng)氣的輸送，而微流道內(nèi)提高氣-液兩相的傳質(zhì)能力的策略可以很好地應(yīng)用于增強(qiáng)反應(yīng)氣從流道運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)區(qū)這一過程，從而提高電化學(xué)反應(yīng)效率。

但是，燃料電池中精細(xì)流道的研究與傳統(tǒng)微流道的研究明顯的差異點(diǎn)在于燃料電池實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到啟動(dòng)、怠速、大功率、停機(jī)4種典型工況的影響。這4種工況的交替變化會(huì)顯著地改變氣體流量和產(chǎn)水速率，進(jìn)而使得流道內(nèi)的氣-液兩相流型、壓降、氣體的傳輸發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。如何在現(xiàn)有的流道參數(shù)與這三者之間關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，建立與這4種典型工況相匹配，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的預(yù)測(cè)模型以優(yōu)化燃料電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)，還需要更進(jìn)一步的探究。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過流型、壓降和傳質(zhì)三個(gè)方面詳細(xì)地闡述了微流道中氣-液兩相流的研究進(jìn)展，綜述了常見流型的種類及其形成條件。這些條件中包含了微流道的尺寸、形狀和表面特性等參數(shù)，而不同的流型對(duì)應(yīng)著不同壓力降值和傳質(zhì)能力，因此可以從降低壓力降和提高傳質(zhì)系數(shù)的角度尋求合適的流型，并通過該流型的形成條件來優(yōu)化微流道的設(shè)計(jì)。目前根據(jù)這一研究思路開展的微流道中氣-液兩相流的研究已成功地應(yīng)用于各類化工反應(yīng)體系中。本文重點(diǎn)闡述了該研究思路在質(zhì)子交換膜燃料電池的流場(chǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用，這些應(yīng)用促進(jìn)了燃料電池的流場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)程。

在現(xiàn)有研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，本文認(rèn)為微流道和燃料電池精細(xì)流道中的氣-液兩相流還有以下方面值得進(jìn)一步探討和研究。

（1）對(duì)各種流型之間轉(zhuǎn)換的原因還需要更清晰的了解。此外，目前流道截面的研究多為圓形和矩形，但是由于加工的誤差，微流道往往不會(huì)完全規(guī)整，因此應(yīng)該引入實(shí)際形狀因子開展進(jìn)一步探究。

（2）基于目前壓力降的預(yù)測(cè)模型所得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的匹配度還需要進(jìn)一步提高，因?yàn)闇?zhǔn)確的預(yù)測(cè)值可以給予化工系統(tǒng)設(shè)計(jì)以重要的參考。因此，還需根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)條件“因地制宜”地建立與實(shí)驗(yàn)值匹配度更高的壓降預(yù)測(cè)模型是微流道兩相流研究中具有應(yīng)用價(jià)值的突破口。

（3）增強(qiáng)傳質(zhì)能力是微流道反應(yīng)所期待的結(jié)果，而傳質(zhì)過程還需要更深入的了解，如反應(yīng)物在氣泡和液膜之間的傳遞過程，流型轉(zhuǎn)換時(shí)傳質(zhì)的變化等都需要進(jìn)一步的研究。另外，通過構(gòu)建新型的微流道結(jié)構(gòu)來提高微流道中氣-液兩相之間的傳質(zhì)能力的方法還值得進(jìn)一步地探究和優(yōu)化。

（4）燃料電池中的精細(xì)流道的壁面包括了GDL，因此其具有結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的特殊性，使得傳統(tǒng)微流道的壓力降預(yù)測(cè)模型不再完全適用，還需要對(duì)現(xiàn)有的微流道壓力降預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正。此外，對(duì)燃料電池這一特定動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)象，需要根據(jù)實(shí)際車用工況下的兩相流速探明燃料電池內(nèi)流型、壓降和氣體傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)變化規(guī)律及其對(duì)燃料電池排水和傳質(zhì)的影響，才能更好地提供燃料電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考方案。

符號(hào)說明

Bo—— 邦德數(shù)

Ca—— 毛細(xì)管數(shù)

dh—— 水力直徑，m

J—— 表觀速度，m/s

Kn—— 克努森數(shù)

kL—— 液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)，m/s

kLa—— 體積液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)，s-1

Re—— 雷諾數(shù)

Sc—— 施密特?cái)?shù)

Sh—— 舍伍德數(shù)

U—— 速度，m/s

We—— 韋伯?dāng)?shù)

σ—— 表面張力，N/m