质子交换膜燃料电池阳极吹扫过程热质传输特性及机理研究

Anode purge is essential for stable and efficient operations of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with dead-ended anode (DEA). Poor anode purging could result in fuel cell performance decline and lifetime reduction. Improving the anode purge is the key objective and the foucus in this research area. The key scientific problem is the characteristics and mechanism of the multi-component multiphase heat and mass transfer in PEMFCs during anode purging. In this study, the dynamic characteristics of PEMFCs with DEA during anode purge is investigated through measuring the key parameters and the fuel cell resistances. The mechanisms of the heat and mass transport are revealed from the evolutions of temperature and current distributions and fuel cell resistance. In addition to the experimental research, a novel multi-component multiphase mathematic model is developed with the lattice Boltzmann method (LBM). The effects of the multiphase flow in porous media on the fuel cell performance are investigated. With the experimental research and the mathematic model, the effects of fuel cell operating parameters and anode purge parameters on the heat and mass transport in PEMFCs are revealed. Finally, the quantitative optimization strategy of fuel cell operation and anode purge are studied. The results can provide significant suggestions for the performance improvement of PEMFCs with DEA.

阳极吹扫是封闭阳极质子交换膜燃料电池高效稳定运行的基本保障，吹扫效果差会导致电池性能衰退并严重影响电池寿命。提高阳极吹扫效果是研究的核心目标和难点，其关键科学问题是吹扫过程中燃料电池多组分多相流动热质传输特性及机理。本项目拟通过测量燃料电池关键特征参数及阻抗的变化规律研究吹扫过程中燃料电池的动态性能，获得燃料电池局部特征参数分布特性及阻抗动态变化特性，揭示吹扫过程燃料电池整体和局部传热传质特性及机理。在宏观实验观测基础上，进一步利用格子玻尔兹曼方法构建吹扫过程中多孔介质层气液两相流动输运模型，揭示吹扫过程中燃料电池孔隙尺度热质传输机理及其对电池性能的影响机制。结合实验及数值模拟成果，阐明电池运行参数及阳极吹扫控制参数对燃料电池热质传输的耦合影响规律，建立阳极吹扫效果分析模型，获得电池运行和阳极吹扫策略的定量优化方法。研究成果可为封闭阳极质子交换膜燃料电池性能优化提供理论指导和技术支持。

本项目以封闭阳极质子交换膜燃料电池为研究对象，针对阳极吹扫过程中燃料电池热质传输机理认识不清并导致吹扫效果差的难题，揭示阳极吹扫过程燃料电池传热传质特性及机理，为封闭阳极质子交换膜燃料电池的设计及运行提供理论指导。取得以下几方面进展：（1）实现了局部电流密度和局部温度分布同步在线测量，揭示了阳极吹扫过程中燃料电池传热及传质的动态特性，发现封闭阳极工况下液态水在阳极下游逐渐积累并导致电池局部性能衰减；（2）揭示了电池运行参数和吹扫控制参数对电池整体及局部性能的耦合影响规律，并定量分析了吹扫效果，获得了阳极吹扫优化策略；（3）利用加速退化实验（576小时），揭示了封闭阳极燃料电池长期服役过程中燃料电池整体和局部性能的衰减规律，查明了电解质膜、气体扩散层、催化层等组件的退化机理，并提出电池退化的缓解措施；（4）将已优化的阳极吹扫策略应用于空冷型质子交换膜燃料电池，进一步研究了空冷型燃料电池的工作特性，初步建立了空冷型燃料电池多尺度多物理场模型，揭示了空冷型燃料电池内部传热传质特性，定量分析了电池各组件内的水含量及水分布规律，阐明了电池运行参数对空冷型燃料电池整体和局部性能的影响机制。便携式燃料电池可应用于无人机、应急电源等，显著提升装备的续航能力。本研究的研究成果可以为便携式氢燃料电池阳极吹扫策略优化提供理论指导和技术支持。