非稳态极端环境质子交换膜燃料电池膜电极多孔结构界面损伤特性研究

Durablity and lifetime of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) under dynamic extreme condition are the critical issues of restricting its commercial application. In the project, the interfacial damage of MEA is studied by measuring key characteristic parameters of PEMFC in-situ and the interfacial damage distribution and evolution will be explored. A transient multiphase multicomponent PEMFC model will be established and heat and mass transfer through interface and ice formation processes will be studied. A microscale model is developed by Lattice Boltzmann Method and the complex porous structure of MEA is considered. Then, effects of pore size, hydrophilicity and surface roughness on phase change and heat and mass transfer processes are investigated. Based on the interfacial damage distribution and effects of surface properties and topography, mitigation strategies will be proposed, which will be effective in alleviating interfacial damage and irreversible performance degradation and failure under dynamic extrem condition. The study will provide theritical basis and reference for improvement of durability and lifetime of PEMFC.

非稳态极端环境下，质子交换膜燃料电池（PEMFC）耐久性差和寿命短的问题是制约其商业化应用的重要因素。本课题针对非稳态极端环境下，PEMFC膜电极多孔结构界面损伤问题，通过电池内关键特性参数分布在线测量，探索膜电极多孔结构界面损伤分布特征及演化规律；建立非稳态多相多组分耦合传递模型，研究界面多相多组分热质传输及冰层动态扩展特性；利用格子Boltzmann方法建立微尺度模型，细致描述膜电极界面复杂多孔结构，分析界面孔隙尺度、湿润特性以及粗糙度对界面相变传质传热过程的影响机制；进而结合界面损伤分布规律及界面微结构效应，提出有效的优化策略，缓解或抑制界面结构损伤，避免电池在非稳态极端环境下出现不可逆衰减甚至失效，研究将为提高电池耐久性和寿命提供理论基础和技术参考。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其具有高效、清洁无污染和工作温度低等优点特别适宜用作于交通工具和便携式设备的动力电源。质子交换膜燃料电池在实际运行过程中，其内部传递过程和电化学反应过程非常复杂又相互耦合，电池内反应物浓度、液态水积累和电化学反应速率等参数不均匀分布，导致电池膜电极内各界面处电流密度和温度存在差异。电池局部工作特性及其演化规律与电池整体性能显著不同，造成电池反应气传输受阻、催化剂利用率低、电池组件出现不可逆损伤等问题，电池寿命大幅下降。本项目根据燃料电池耐久性目标和实际运行工况，结合电池电流密度和温度分布在线测量技术，探索电池性能分布特征及演变规律，阐释多物理场耦合作用下电池内关键参数分布特征及演化规律，提出的电池结构优化策略，将此优化方案拓展到恒压启动、负载变化等更广泛的应用条件，对比分析其对电池内传递过程动态特征的影响并验证其有效性；同时提出了多步骤启动的控制策略，并将其与结构优化措施进行耦合，以确保电池在燃料气不足时依然具有良好的动态性能。研究了质子交换膜燃料电池内部电流产生机理，并结合电池启动动和停机工况下的动态响应特性，提出不同气体控制策略对电池性能的影响，为减小电池性能衰减提供参考意见；同时，研究了电池内电荷动态迁移机理，指出电极界面双电层上的充放电过程是电荷在电池内迁移的重要因素，通过建立数值模型予以验证。最后，建立三维数学耦合模型，研究了电池在低温环境下结构损伤特性，获得电池内应力应变响应，确定电池损伤位置和失效形式。本项目研究成果源于燃料电池实际应用中的迫切需求，对有效提高电池耐久性和寿命，保证电池高效、安全的运行，可提供一定的理论和实践指导，有助于推动质子交换膜燃料电池的商业化应用。在项目执行期间，发表学术论文10篇，参加学术会议4次，协助培养研究生5人，招收研究生2人。课题组在项目执行期间还成功申请相关项目资助4项。