小型无人机用燃料电池瞬时短路加湿的水气传输机制研究

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has become one of the best power sources in the small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) due to its high energy conversion efficiency, high power density, low infrared emission and low environment pollution, as well as the disobedience of Carnot cycle during its operation process. However, one of the most important challenges for PEMFC operated in small UAV is the water management. When PEMFC operated at elevated air flux the water boiling point and oxygen content both decrease with the increasing of the altitude, which will accelerate the water loss in the porous membrane electrode assembly (MEA), leading to poor performance, low reliability and short lifetime of PEMFC. In this proposal, a momentary short-circuiting humidified method is used to enhance the humidity of the operating fuel cell. The conjugated water and gas transfer mechanism, water migrating and distrubiton characteristic, as well as the anode liquid generation and removal behavior in PEMFC operated in high altitude are investigated in detail. The experimental studies on fuel cell performance, water and gas distribution and emission property are performed as well. The implementation of this project is of great importance for the theory and technology development of the heat and mass transfer in porous membrane electrode assembly with micro/nano scale, and the expected results can provide a theoretical guidance to the design of high-performable, long-lifetime, and great-reliable PEMFC used in UAV.

质子交换膜燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能，它不受卡诺循环的限制，且效率高、能量密度大、低红外、无污染等特点，已成为小型无人机的最佳动力选择之一。无人机用燃料电池的关键问题是水管理。高海拔条件下水的沸点降低，同时空气中氧含量下降使得电池在大流量下运行时加速质子交换膜的失水，导致电池性能急剧衰减。本项目采用瞬时短路加湿策略来提高燃料电池的运行湿度，研究高海拔条件下燃料电池膜电极内水气热质传递以及水分迁移的耦合传输特性，研究质子交换膜内液态水的传输机制与分布规律，同时研究电极与流道结构对阳极液态水的产生以及脱离机制的影响，并对燃料电池的瞬时短路加湿运行时电池的性能、水气分布规律以及排放特性进行实验研究。本项目的研究对微纳尺度下多孔膜电极传热与流动的理论和技术的发展均有重要意义，同时为高性能、长寿命、高可靠性的无人机用燃料电池的优化设计提供理论指导。

建立了考虑不同使用高度(低空和中高空)和系统结构(氢-空和氢-氧)的小型无人机用燃料电池系统模型，利用数值模拟研究了工作温度、电流密度、进气压力、相对湿度等操作因素对燃料电池系统性能的影响。采用建立的燃料电池数学模型，研究了无人机用燃料电池膜电极内水气热质传递以及水分迁移的耦合传输特性，研究了质子交换膜内液态水的传输机制与分布规律，同时研究了平行流场中波状通道的波长和振幅、半波和全波区别和不同流量下波状对电池性能的影响，获得了优化的波长和振幅；与此同时，还对附加出口平行流场的阴极氧气浓度分布、平均电流密度、温度分布等特性进行仿真分析，探究了平行流场附加出口对流场性能的影响，获得了最优的附加出口设置位置；利用W-M函数表征微孔层与催化层之间粗糙接触面分形特征，分析了微孔层与催化层接触面的微观结构对电导率、渗透率、热导率和扩散系数等宏观参数的影响，阐明了接触面的相对热阻和相对扩散率对燃料电池内的热量和气体的传递机理以及对燃料电池性能的影响；基于优化流场结构的燃料电池，利用燃料电池测试平台对不同单电池进行了实验测试和对比，研究了氢气过量系数、氧气过量系数、电池温度、气体加湿度等主要操作参数下的流场对燃料电池性能影响；另外，测试PEMFC电堆在不同工作温度、气体过量系数、气体湿度、压力工作参数条件下负载电流密度持续阶跃时其输出电压做出的动态响应特性，通过比较动态电压下冲量和响应时间，分析各工作参数对PEMFC电堆动态特性影响程度。本项目的完成获得了微纳尺度下多孔膜电极传热与流动的理论以及无人机用燃料电池膜电极内水气热质传递以及水分迁移的耦合传输机理，获得的理论及优化方法为高性能、长寿命、高可靠性的用燃料电池的优化设计提供理论指导。