微细结构相变传递行为及质子交换膜燃料电池动态传质机理研究

扩散电极微细结构内液态水的传递在质子交换膜燃料电池动态过程中存在复杂的气液两相流动和水的动态变化机制，已有模型多以传统的宏观尺度下的流动、传热、扩散等方程描述，由于对电极微细结构内水的相变传递和两相流机理的不清晰，模型简化不完善，特别是关于微尺度下表面张力的影响考虑的不够，导致理论模型无法准确预测电池启动、负载变化等动态过程中电池内液态水的分布及电极流动受阻现象。本课题力图通过精巧微细可视化实验和理论分析，研究动态传质过程中扩散电极内水的相变机理与液态水的运动特征，建立描述现象的界面液滴模型探讨液滴形成、运动及聚并的行为机理，建立描述多孔电极微细结构的孔隙网络仿真模型，分析微细结构相关描述参数如孔隙尺寸分布、接触角和表面形貌的影响及作用特征，提出动态工况下不同孔隙结构相关描述参数对有效传质系数的影响，形成系统的扩散电极水管理机理认识。

本研究工作通过可视化实验和理论分析，探讨了液态水及气液两相混合物在扩散层中的传递机理；建立了描述现象的孔隙网络模型，探析了扩散层的离线表征如微细结构相关描述参数如孔隙率渗透率、传质性能参数及疏水程度等对有效传质的影响机理与作用特征；采用数值分析来描述电池内部传质，并与实验相结合，将工作参数的改变与传质变化过程进行对应研究，提供电池动态特性和工作参数对传质变化影响的描述；并对电池低温下的启动和动态性能进行了实验研究。.(1)进行了液态水传递的突破实验及模型分析，通过离线可视化实验对液态水突破扩散层碳纸情况进行了观测并得到不同温度下突破压力值，并与所建立的碳纸突破模型结果进行了对比。得出液态水突破点位置固定，随着液态水压力升高突破点数量增加，并且一旦突破后所需维持流动的压力要小于突破压力；随着碳纸温度的升高，液态水突破压力呈近似线性降低。(2)建立了孔隙网络模型，计算了不同温度下液态水穿透扩散层的压力并与实验值进行了比较。表明孔隙网络模型提供了一种能够直观、简单地描述扩散层结构的方法，对模型进行适当改进，可用于获得扩散层中液态水饱和度与毛细压力的关系，并可用于研究微孔层对扩散层水管理的作用。(3)同时进行了气态水传递实验研究，通过离线实验获得了水汽在扩散层内的传递过程，发现水汽在扩散层中的传递过程存在多条通道，进而有多个突破点，不同于液态水的行为；进一步得出微孔层对扩散层中水管理起促进作用，且其安装位置必须在靠近催化层一侧。(4) 采用数值计算来描述电池内部的传质情况，并与实验分析相结合，将工作参数的改变与传质变化过程进行对应研究，考察了质子交换膜燃料电池的动态性能及关联状态，探讨不同的温度、进气加湿程度、流量、反应过量比、电池运行时间等以及不同的流道型式对电池动态性能的影响机理，提供电池动态特性和工作参数对传质变化影响的描述。(5)改建了质子交换膜燃料电池的单体电池测试系统，对电池低温下启动和动态性能进行了实验研究，考察了-3℃、-5℃环境温度下加载电流密度及阳极化学计量比对电池启动能力的影响；同时观测-3℃启动时电池温度随时间变化情况，考察了低温环境下膜内含水量、除水保温对电池动态性能的影响。.研究工作达到了课题预期的研究目的，目前本项目研究成果已发表研究论文11篇，其中SCI检索期刊6篇，培养博士研究生1名，硕士研究生2名。