闭式质子交换膜燃料电池两相流动机制与水热分布特性研究

The dead-ended Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is recognized as an excellent power supply due to its high power density, no emissions, low noise, low operating temperature and low-intensity infrared emission. The PEMFC is designed as Dead-ended model according to its confined space, which will cause flooding and heat-pot inside PEMFC. This project analyzes the two phase flow mechanism and water-heat distribution characteristic in a dead-ended PEMFC, constructs a multi-layer thin porous medium heat-wet coupled model. The research in this project will provide theoretical guidance and experimental evidence for the optimization design of the dead-ended PEMFC. We pay special attention to the heat-wet coupled characteristics of multi-layer thin porous medium, as well as the effect of the operating parameters and the parameters of the porous membrane electrode assembly (MEA) on stack performance.

闭式质子交换膜燃料电池以其功率密度高、无排放、工作噪音小、运行温度低，红外线发射强度小，被公认是一种优秀的动力电源。由于闭式燃料电池阴阳极采用全闭口形式，电池运行时易造成“水淹”及“热点”，导致电池失效。本项目对闭口燃料电池两相流动机制及水热分布机理进行分析，构建超薄多层多孔介质内热湿耦合模型，为闭式燃料电池系统的优化设计提供理论指导及实验依据。其中，重点研究超薄多层多孔膜电极水热耦合特性、电池运行参数及多孔膜电极结构参数等对电池水热分布的影响。

本项目分析了质子交换膜燃料电池膜电极中水的生成和气液两相转变机制，总结了闭式电池内气液两项转变的条件。根据多孔介质的UFT模型，考虑相变等因素的影响，计算了燃料电池扩散层中水分布状态。温度对燃料电池性能产生重要影响，通过对燃料电池阴阳极不同温度的控制，结果显示，较低的阳极温度可以增强水从阳极到阴极的电渗透作用。燃料在阳极和阴极温度不同的情况下，性能最好。.提出了内部相变冷凝转移一体化技术，结果显示，该技术在可提高燃料电池运行时的稳定性，并且可提高其输出性能。采用该技术，内部冷凝温度不能过低，为提高电池运行稳定性及输出电压，可适当提高电池运行时温度。同时，提高电池温度，选择合适的尾气冷凝温度，可显著提高闭式燃料电池单电池电压的均一性；为保证电池的均一性，可适当提高电池工作压力、降低工作电流密度。.研究了流道尺寸与界面接触角对液滴排水特性的影响，结果显示，燃料电池内，若依靠液滴重力排水，电池内扩散层表面液滴的临界半径为1.0mm，流道规格大于2×1mm时，流道表面不会对液滴的脱离产生干扰。为提高闭式燃料电池排水能力，不仅可通过液滴自身重力，还可将闭式燃料电池堆进行分段，该设计，可将闭式多单电池电堆的排水问题，转变为小数量电堆的排水问题研究，降低了整个电堆水管理难度。