微重力条件下质子交换膜电解池传热传质与两相流动

可再生燃料电池RFC可供电也可蓄能，比能量密度非常高，成为未来新一代空间电源的最佳选择。RFC中实现水电解功能的电解池是其关键部件之一。质子交换膜电解池在微重力条件下伴随有电解电化学反应的热物理问题研究的公开文献非常少见。本申请项目将着眼于空间应用背景，主要从工程热物理学科专业角度出发，为提高电解池电解性能及可靠性，保障空间应用时电解池的稳定供液，以落塔微重力实验、地面常重力实验、理论分析与数值模拟等手段，系统开展微重力条件下质子交换膜电解池内伴随有电解电化学反应的多组分传热传质与两相流动过程的规律研究，研究微重力下电解池极板流场的设计优化方法，探究以上因素与电解池性能的相互影响的规律，并开展电解池内部温度分布及传热特性的实验研究。本项目的开展给空间用可再生燃料电池的发展与应用提供理论依据及础数据，为我国未来空间电源的开发提供必要的支持和技术储备。

可再生燃料电池结合了燃料电池和电解池技术。电解池是其关键部件。质子交换膜电解池质子由于具有高能量密度、环境友好和低能耗等优点，近年来已经成为研究热点。也适用于在空间领域中作为能量储蓄源。本项目以微重力和常重力条件下的质子交换膜电解池为研究对象，对电化学反应驱动的两相流、传热传质强化及流场优化等问题开展了研究工作。建立了质子交换膜电解池三维两相等温传质模型，分析不同条件下电解池内气液两相组分浓度分布和传质过程。项目组自制了质子交换膜电解池，搭建常重力及微重力实验系统，利用微重力落塔实验设施开展了质子交换膜电解池电解过程中传热传质及两相流动过程的实验研究。项目研究获得了稳定且高性能的质子交换膜电解池膜电极、极板材料选择方法及流场设计方法。掌握了微重力及常重力下质子交换膜电解池两相流动及传热传质规律，得到了传质特性和强化措施。本项目执行三年期间共获得发明专利授权四项，发表文章三十三篇，其中SCI三篇，EI九篇，ISTP一篇，全面完成了项目任务和成果指标。后续还将有成果陆续发表。