基于植物水分传输机理的质子交换膜燃料电池排水系统仿生设计

With the merits of high energy density, fast start-up, longevity, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is the most prospective one among low-temperature fuel cells. Water management has a major impact on the PEMFC in the areas of overall system power, cost and efficiency. This project simulates water transport mechanism in plant and employs the biomimetic analogy principle to investigate a new water removal approach for PEMFC. First, the project will study what is the mechanism of water transport in plant and the relations between water transport in plant and water removal in PEMFC. Next, the project will study how to design the biomimetic structure for water removal in PEMFC. Then, a three-dimensional, non-isothermal, gas-liquid two-phase flow and transport mathematic model will be developed. And a visualization experiment will be designed to study the water and gas transport characteristics in PEMFC. Eventually, the theoretical system of water removal design, based on the principle of biomimetic analogy, in PEMFC is to be established, which will provide a new way for the water management in PEMFC. The results of this project can be widely used as promising power sources for the new generation of electric vehicles, distributed power generation, portable electronic equipment, household stationary cogeneration application and so on.

质子交换膜燃料电池具有能量密度高、容易启动、寿命长等优点，是低温燃料电池中最有发展潜力的一种燃料电池。水管理是质子交换膜燃料电池的关键技术，水管理的好坏直接影响到电池的效率、发电功率以及运行成本。本项目通过模拟植物水分传输功能，运用仿生学原理研究探讨一种全新的质子交换膜燃料电池排水方法，首先，研究植物水分传输机理以及植物水分传输与质子交换膜燃料电池排水之间的映射关系；其次，研究如何模仿植物水分传输机理来对质子交换膜燃料电池的排水系统进行仿生设计。然后，建立包括燃料电池阴极／阳极侧流道和气体扩散层、催化层以及质子交换膜在内的完整的三维、两相、非等温数学模型，并设计可视化实验进行验证。最终，建立基于仿生学原理的质子交换膜燃料电池排水系统的仿生设计理论体系，为质子交换膜燃料电池的水管理提供一条新途径。本项目的成果可广泛应用于新一代电动汽车动力电源、便携式小型电源、家庭用热电联供系统等。

能源与环境问题已经成为了人类发展不可忽视的关键性问题，随着化石能源的枯竭以及环境污染的加剧，新能源领域的研究已经逐渐得到各国的重视，质子交换膜燃料电池作为一种清洁、高效的环保电源，在新能源汽车、电站、航空航天等领域有着广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池（PEMFC）的水平衡是影响PEMFC的稳定性及寿命、制约PEMFC商品化的关键技术。影响PEMFC水平衡的因素包括双极板、气体扩散层、催化层在内的电池结构设计以及电池运行的工作参数等。大自然中的许多生物各有其千奇百怪的特殊生理功能，如果能把它们广泛运用于人类的机械、仪器和工艺，将能使科学技术和工农业生产出现新的飞跃。据此，本项目取得的成果如下：① 通过对植物中水分传输机理进行分析，得出了水分在植物体中传输的一般规律；② 研究了与质子交换膜燃料电池（PEMFC）排水性能相关的气体扩散层的疏水性和双极板的流场结构；③ 建立了PEMFC中水传输的机理模型，研究了PEMFC的气体扩散层和流道中水传输的规律；④ 设计与制作了基于仿生学原理的PEMFC排水系统，为PEMFC的水管理提供了一条新途径；⑤ 建立综合考虑PEMFC的阴极／阳极侧流道、气体扩散层、催化层以及质子交换膜的完整的三维、两相、非等温数学模型，研究PEMFC的性能； ⑥ 搭建了PEMFC实验测试平台，完成了PEMFC的性能测试；⑦ 在PEMFC的气体扩散层、流场结构的设计和优化、PEMFC的水传输、PEMFC的参数检测以及影响PEMFC工作性能等方面，在国际、国内期刊和会议上共计发表学术论文15篇，其中：SCI收录7篇，EI收录3篇；⑧ 本项目培养硕士研究生12人和博士研究生2人，已获硕士学位有6人，在读硕士生6人，在读博士生2人。本项目的成果可广泛应用于便携式电源、小型固定发电机、电动汽车、舰船、航空航天等的动力能源。