Numerical investigation of water droplet dynamics in a low-temperature fuel cell microchannel: Effect of channel geometry

矩形 纵横比(航空) 微通道 压力降 几何学 水力直径 机械 材料科学 下降(电信) 化学 分析化学(期刊) 复合材料 雷诺数 数学 物理 湍流 工程类 色谱法 机械工程
作者
Xun Zhu,Qiang Liao,Pang‐Chieh Sui,Ned Djilali
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:195 (3): 801-812 被引量:117
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2009.08.021
摘要

The sensitivity of liquid water to geometry of cathode gas microchannel in low-temperature fuel cells is investigated numerically. The two-phase flow is resolved using 3D CFD simulations with the volume-of-fluid (VOF) method. Simulations for microchannels with different cross-sections, including rectangle with aspect ratios in a range of 0.1–2, trapezoid, upside-down trapezoid, triangle, rectangle with a curved bottom wall, and semicircle are compared. The 0.5 aspect ratio rectangle yields the longest detachment time and the largest detachment diameter, whereas the longest removal time occurs for the 0.25 aspect ratio case. With decreasing aspect ratio for the rectangle the pressure drop increases and the coverage ratio decreases. The 0.1 and 2 aspect ratios rectangles have the largest water saturation. For microchannels with different cross-sections, the detachment time, detachment diameter, and removal time of the water droplet are found to be in this order: triangle < trapezoid < rectangle with a curved bottom wall < rectangle < upside-down trapezoid. The friction coefficient increases by a factor of 2–4 in the presence of water. The upside-down trapezoid yields the maximum coverage ratio and water saturation, while the rectangle with a curved bottom wall results in the minimum values.

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