碱性阴离子交换膜(AAEM)燃料电池水热管理研究

Alkaline anion exchange membrane (AAEM) fuel cell has advantages such as low emission, high power density and fast start-up, and can potentially solve the cost and durability problems, becoming a sustainable power source. Water and thermal management is one of the critical issues affecting the performance and cost of AAEM fuel cell, and effective water and thermal management must be based on comprehensive understanding of the transport processes. However, many heat and mass transfer mechanisms in AAEM fuel cell are still not fully understood. Therefore, based on fundamental heat and mass transfer theories, and through theoretical analyzes, numerical simulations and experimental measurements, this proposed project will investigate the complicated transport processes in AAEM fuel cells to understand the heat and mass transfer mechanisms, and to find how the various design and operating parameters (e.g. flow channel design and operating temperature) influence the different transport processes (e.g. anion/electron transport and water phase change). The relationship among the different designs, operating conditions, transport processes and performance will be elaborated, and effective water and thermal management strategies will be discussed to guide the optimization of design and operating conditions and to improve the performance. This research is significantly important in understanding the transport mechanisms in AAEM fuel cell, and also helps improve the performance and reduce the cost.

碱性阴离子交换膜(AAEM)燃料电池具有排放低、功率密度高、启动迅速的特点，并且很有希望解决成本和耐久性这两大难题，成为可持续发展的绿色动力源。水热管理是影响AAEM燃料电池性能与成本的关键因素之一，而有效的水热管理建立在对传输过程深入了解的基础上，但目前还有许多传热传质方面的问题需要研究。本项目将从基本的传热传质理论出发，通过理论分析、数值模拟和实验测试，深入研究内部复杂的传输过程，理解和掌握传热传质机理，并获得各种设计与工况（如流道设计、工作温度）对不同传输特征（如阴离子和电子的传输、水的相变）的影响规律。在此基础上，揭示设计、工况、传输过程和宏观性能的关系，探讨水热管理的基本规律和控制方法，为提高性能提供理论依据。这一研究对于深入认识AAEM燃料电池传热传质机理，发展AAEM燃料电池传热传质理论有重要的科学意义，对提高性能和降低成本也有很高的实用价值。

碱性阴离子交换膜(AAEM)燃料电池拥有排放低、功率密度高、启动迅速等特点，在成本和耐久性上更具优势，有很大的潜力成为可持续发展的绿色动力源。而水热管理作为决定AAEM燃料电池性能与成本的关键因素之一，目前在许多传热传质方面仍然面临着很多问题，因此基于对传输过程深入了解，找出有效的水热管理方法，具有十分重要的理论和实际意义。本项目从基本的传热传质理论出发，通过理论分析、数值模拟和实验测试，深入探究了AAEM燃料电池内部复杂的传输过程，理解并掌握了传热传质机理，并获得各种设计与工况（如电极设计、工作湿度）对不同传输特征（如阴离子和电子的传输、水的相变）的影响规律。在此基础上，揭示了设计、工况、传输过程和宏观性能的关系，探讨了水热管理的基本规律和控制方法，为提高性能提供了理论依据。依托本项目，项目负责人共发表SCI收录论文35篇(第一或通讯作者34篇，第二作者1篇)，已被引用200余次；2015年受邀在英国爱丁堡举行的Low Carbon Energy Workshop上做特邀报告Fuel Cell Vehicles and Related Heat and Mass Transfer Issues，2016年应邀参加了在印度举办的首届金砖五国青年科学家论坛，以及应美国福特公司邀请，在迪尔伯恩访问并作学术报告；还参加了2016年的美国电化学年会，2014(韩国)和2016(西班牙)年的国际氢能大会，以及2013，2015，2016年的全国工程热物理年会(传热传质分会和多相流分会)，均做了口头报告。目前项目负责人指导博士研究生10人、硕士研究生10人，所指导学生中已有5人获研究生国家奖学金。此外，还有本科生参与了此项目，并获大学生创新挑战杯全国二等奖。