基于壁面润湿性调控的水滴导引方法及其在PEMFC中的应用研究

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has the advantages of high conversion rate of energy, low noise, small heat radiation and unlimited depth. It is an ideal power source for the AIP submarine. The problem of drainage is to avoid water flooding caused by the internal hydrogen and oxygen reaction, which is one of the challenging obstacles that affect its reliability at present. Inspired by railway track network, the project intends to study the controlled guidance method of water droplet and the feasibility of promoting drainage in the PEMFC. First, we will explore the regulation method of the wetting anisotropy of the surface, and test the influence of the wetting anisotropy on the hydrostatic wetting behavior of water droplets. Based on the molecular dynamics method, we will simulate the motion of three phase contact line of water droplet on the anisotropic wetting surface, and reveal the influence mechanism of wetting anisotropy on the motion of droplets. Then the directional transportation path of water droplets based on the surface wetting step will be designed, and the guidance law of the water droplets under the tangent wind will be studied too. Next, the unidirectional wetting gradient surface is further prepared, and the automatic guidance law of water droplet without external force will be explored. Finally, water droplet transport network will be designed, and visual test is conducted to evaluate its drainage effect in the PEMFC flow channel. Overall, the project will provide references for subsequent application researches of this method.

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)具有能量转换率高、噪声低、热辐射小、排放不受深度限制等优点，是AIP潜艇的理想动力源。排水问题，即避免电池内部氢、氧反应生成液态水的融合和滞留，是影响其可靠性的一项重要技术挑战。受铁路轨道网启发，项目拟研究基于壁面润湿性调控的水滴导引方法，并探索其在PEMFC内实现类似铁路式高效、有序液态水输运的可行性。这里首先将研究壁面润湿异性调控方法，测试润湿异性对水滴静润湿的影响；并基于分子动力学方法，模拟揭示润湿异性对水滴移动行为的影响机制；然后设计基于壁面润湿阶跃的水滴导引轨道，研究切向风下水滴沿轨道的导引规律；进一步制备单向润湿梯度表面，探索基于壁面润湿梯度的水滴无动力导引规律；最后设计适用于PEMFC的水滴运输轨道网拓扑结构，并初步评估其促排水效果，为该方法后续应用研究提供参考。

质子交换膜燃料电池具有能量转换率高、噪声低、热辐射小等优点，是AIP潜艇理想动力源。目前，排水问题是影响其可靠性的一项重要技术挑战。项目系统开展了基于壁面润湿性调控的水滴导引方法及其在PEMFC中的应用研究，顺利完成原定研究任务和目标。取得主要成果有：1）通过观测荷叶、三叶草、结香等植物表面微观结构特征，揭示了不同植物叶片表面润湿异性的形成机理，并基于3D打印、机加工、掩膜喷涂等手段进行了润湿异性仿生微结构表面制备方法研究，实现了对液滴静润湿行为的精细调控；2）构建了液滴分子动力学模型，模拟分析了液滴润湿固体壁面过程中三相接触线运动机制，建立了液滴力学仿真平衡模型，并通过调节固液作用强度，实现了固体壁面润湿性的大范围调控；3）进一步研究了液滴在重力、切向风力作用下在润湿异性轨道上的导引行为，实现了液滴在平板沟槽轨道表面的隐性导引和在超疏水/PDMS轨道表面的无损导引行为控制，并建立了基于接触线理论的力学模型，实现对液滴导引轨迹及导引失效临界条件的预测；4）通过化学刻蚀、光刻和机加工等方法，实现了在玻璃、硅片和有机玻璃表面制备润湿梯度，提出了一种具有液滴定向自发运输功能的流体注入式润湿梯度表面，并从力学角度揭示出润湿梯度表面液滴运输临界条件；5）深入研究了质子交换膜燃料电池关键部件及不同组成部分的水运输状态与机理，提出了一种水膜导引水滴新方法，实现了重力作用下更大倾角范围的水滴导引，并通过开展可视化燃料电池模型实验，证明了流道内构建润湿异性轨道具有显著促排水效果。项目执行期内，累计在Appl. Surf. Sci.、APPL PHYS A-MATER、POF等期刊发表论文13篇（SCI索引9篇，EI索引2篇），申请发明专利6项，撰写专著1部（《固体壁面液滴运动行为》，科学出版社），做大会和分会场邀请报告4次，举办学术研讨会2次，支撑所在团队获省部级一等奖1项，培养国家级领军人才1人（项目负责人），博士6人（毕业2人），硕士11人（毕业4人）。