直接甲醇燃料电池微尺度膜电极复合结构内多相多组分耦合传递规律研究

燃料电池是典型的跨尺度多场耦合系统，对电池内基础热物理问题的研究具有丰富的科学内涵和实用意义。本项目集中研究直接甲醇电池膜电极微尺度多孔复合介质内多相多组分动力学传递过程。理论方面，建立多孔介质微孔尺度传输模型，揭示电极微孔内气液两相流和多组分耦合传递的基本规律，掌握多孔介质微观结构对其内部物质的宏观传输属性的影响。完善和发展直接甲醇燃料电池三维两相全电池数理模型，深入研究电池微尺度膜电极内甲醇和液态水这两种关键物质的传输规律和机理，识别关键影响因素，为优化各功能部件提供理论指导。实验方面，建立电池内甲醇和液态水渗透量测试系统，掌握膜电极内甲醇和水传输过程的量化信息，指导模型验证和改进。在此基础上，重点研究电池阳极扩散层和微孔层的结构设计对甲醇和液态水传输的影响。结合理论和实验研究，提出有效地甲醇和液态水管理方案，指导电池部件和整体结构设计以提高电池性能。

理解燃料电池内发生的热质传输与电化学耦合过程，优化电池结构与运行参数，有效管理电池内热、质传递，是实现电池系统高效和稳定运行的关键。本项目着重研究直接甲醇燃料电池(DMFC)复合膜电极内的多相流与组分传递规律，并进行电池结构优化及电池性能测试。主要结果包括：（1）建立了DMFC多孔复合膜电极内二维两相流和多组分耦合传输数理模型，揭示了电池阴极多孔层参数对水从阳极到阴极窜流的影响。研究发现降低阴极微孔层和催化层渗透率可在阴极建立较高的液相压力，增强反向渗流从而抑制水窜流。同时增强阴极微孔层和催化层的憎水性也可以实现水窜流的抑制；（2）进行了阳极结构对甲醇和液态水传输规律的影响研究以及参数敏感性分析，结果表明通过阳极侧微孔层和催化层的结构优化可提高阳极侧气体饱和度，实现同时降低膜中甲醇和液态水的穿透量,有利于电池性能的提高。该研究为燃料电池阳极结构的优化设计提供理论指导；（3）发展了DMFC内与电化学反应耦合的多物理场耦合瞬态模型，研究了非稳定运行工况时电池内组分瞬态传输与电池动态响应特性，研究发现当电流密度突然降低时电池电压出现过脉冲现象，这是由阴阳极过电势不同的动态响应趋势和响应速度造成的。而电压长时间响应则是膜电极内甲醇缓慢的传输过程并重新达到平衡引起的。燃料电池瞬态运行时的基本规律与电池性能响应特性的研究可为构建DMFC系统动态运行仿真体系奠定理论基础；（4）实验研究了主动式液体进料直接甲醇燃料电池运行参数和阴极微孔层结构设计参数包括PTFE担载量和碳纳米管担载量等对甲醇传输量和水传输量以及电池性能的影响，结果发现增大微孔层PTFE担载量或碳纳米管担载量可显著降低水的窜流，但PTFE担载量和碳纳米管担载量过大，反而会因为传输阻力的增大而导致电池性能下降。上述结果为优化电池阴极结构提供了实验参考；（5）测试了被动式气态进料高浓度DMFC结构中阳极阻醇层厚度、阴极水管理层厚度对电池内甲醇、氧气和水的传质过程以及电池输出性能的影响。结果表明阳极阻醇层厚度对甲醇传质过程有明显的调节作用，阻醇层存在最佳厚度使得电池性能最佳。另外合理设计阴极水管理层可以有效改善电池内水的分布，使得电池输出性能最佳。本项目研究成果将推动直接甲醇燃料电池基础理论的发展，也为实际电池的设计提供理论和实验依据。