燃料电池中含湿超薄多孔介质内热质传递与水分迁移耦合机理研究

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has become a research hotspot in the field of new energy technologies due to its high energy conversion efficiency, high power density, and low environment pollution, as well as the disobeyal of Carnot cycle during its operation process. However, one of the most important challenges for operated PEMFC is the unsuitable management in the coupled water and gas transportation in the porous membrane electrode assembly (MEA), leading to the poor performance, low reliability, and lifetime of PEMFC. In this proposal, a comprehensive model based upon Boltzmann transportation and molecular dynamics theory is constructed to investigate the conjugated heat and mass transfer characteristic in the super-thin porous MEA with micro/nano scale, the water and vapor migration principle among the stable and dynamic interfaces, as well as the liquid water distribution and transport behavior in the proton exchange membrane. Moreover, a transparent fuel cell is proposed to be fabricated for experimental verification of the simulation results. The expected results can provide a theoretical guidance to the design of high-performable, long-lifetime, and great-reliable PEMFC. Moreover, the implementation of this project is also of great importance for the theory and technology development of the heat and mass transfer in super-thin porous media with micro/nano scale.

燃料电池具有转化效率高、能量密度大、环境污染小，且不受卡若循环的限制等优点而成为新能源技术领域研究的热点。燃料电池目前面临的一个关键问题是水气耦合传输管理不合理，从而导致电池性能差、可靠性低、寿命短。本项目采用Boltzmann 输运理论并结合分子动力学理论构建燃料电池内微纳尺度下超薄、多层多孔介质模型，研究微纳尺度下具有超薄厚度多孔结构的含湿多孔膜电极内热质传递与水分迁移的耦合传输特性，研究多层多孔介质间固定界面的热质耦合传输特性与动态界面的水气迁移机理，同时研究电拖、反渗透、毛细压差、浓度差及温度对质子交换膜内液态水动态传输与分布影响的内在机理，并对燃料电池性能、传热传质特性以及水气分布规律等进行可视化实验研究。通过本项目的研究可以为高性能、长寿命、高可靠性的燃料电池的优化设计提供理论指导，同时其研究成果对微纳尺度下超薄多孔介质传热与流动的理论和技术的发展均有重要意义。

燃料电池作为一种高效利用氢能的新能源发电装置，被誉为21世纪最具有发展潜力的发电方式。本项目针对目前质子膜燃料电池面临的水汽耦合传输不合理导致电池水淹的问题，采用理论与试验的方法对燃料电池内的热质传递与水汽输运开展了研究。通过对燃料电池能量转换过程分析，建立了燃料电池包括连续性方程、动量方程、能量守恒方程和组分守恒方程等基本控制方程，电流守恒方程，电极动力学模型、反应气体消耗和阴极水生成模型等电化学反应控制方程以及质子交换膜内水传输模型的三维模型，研究了反应气体加湿度、压力、操作温度和电流密度等运行参数对燃料电池传热传质及水汽输运的影响规律；采用Boltzmann 输运理论并结合随机堆积的方法生成燃料电池多孔介质的物理结构，研究了微纳尺度下具有含湿多孔介质内传质与水分迁移的耦合传输特性，得出了多孔介质内的在不同参数下速度和浓度分布规律以及多孔介质内的传质强化评价参数；本项目组装了燃料电池堆，搭建燃料电池测试系统，通过将微型热电偶置于阴极流场板，实验研究了氢空燃料电池在不同进气温度、进气和冷却水流量、电流密度等操作参数对传热流动的影响规律以及对电池性能的影响特性，同时原位获取了燃料电池内温度的分布规律，获得了燃料电池堆得原位温度测量方法；相比于氢空燃料电池，氢氧燃料电池内电化学反应更加剧烈，此时电池内温度分布不均更容易对电池产生破坏，本项目采用原位测量技术对氢氧燃料电池堆进行了试验研究，得出不同进气温度和压力、进气和冷却水流量、电流密度等操作参数对传热流动的影响规律以及对电池性能的影响特性，同时得出氢氧燃料电池内热量平衡特性。本项目的研究成果为高性能、长寿命、高可靠性的氢空、氢氧燃料电池的优化设计提供理论指导，同时其研究成果对微纳尺度下多孔介质传质强化理论的发展均有重要意义。