微重力燃料電池內氣液兩相流動與電性能研究獲進展

2020-12-07 中國科學院

　　燃料電池是一種通過電化學反應持續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉化成電能的發電裝置，因其比功率高、比能量高、響應速度快及可大功率、長時間供電的特點，在航天領域中的應用日益得到重視。但在空間微重力環境中，燃料電池內部伴有電化學反應的兩相流動將呈現出和地面常重力環境迥然不同的特性，不僅對燃料電池氣液管理提出了新的挑戰，而且還直接影響到燃料電池的電性能及其穩定運行，成為航天用燃料電池技術發展中亟待解決的關鍵技術問題之一。另一方面，即使對於地面常重力環境中的燃料電池應用而言，重力同樣對其內部兩相流特徵並進而對其電性能有重要影響。因此，對燃料電池內部過程中的重力影響機制的研究具有重要的學術意義和重大的應用價值。

　　中國科學院力學研究所與北京工業大學郭航教授及其研究團隊合作，利用力學所百米落塔，在國際上率先對質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等內部伴隨有電化學反應的氣液兩相流動特徵及相關燃料電池的電性能變化進行了短時微重力實驗研究，並與地面常重力實驗相比較，真正地將重力作為可控變量，彌補了以往在地面常規重力環境通過改變流道傾角來研究重力效應的做法在方法論上的明顯不足。

　　最近，該聯合研究團隊報導了不同重力條件下PEMFC陰極流道（蛇形單通道，截面積2×2 mm2）內的氣液兩相流動特徵及其對PEMFC電性能的影響，發現與地面常重力環境相比，重力水平的降低導致陰極流道內的水氣兩相流型發生極大變化，進而直接影響到PEMFC電性能（如圖）。實驗還發現重力對PEMFC內水氣兩相流及其電性能的影響與電池運行狀態相關：在大電流密度、高產水區，PEMFC陰極流道內由電化學反應生成的液態水在常重力條件下傾向於在垂直向上流道中匯聚，造成流道液泛淹沒，阻礙反應物的有效供應及產物的及時排出；而在微重力條件下則傾向於隨氣流移動，易於排出，從而能有效抑制流道液泛淹沒，相應的電性能在微重力條件下比常重力時有4.6%的提高。而在小電流密度、低產水區，微重力條件下分散水滴匯聚會阻塞流道，引起電性能比常重力時降低約6.6%。詳見Guo H, Liu X, Zhao JF, Ye F, Ma CF. Experimental study of two-phase flow in a proton exchange membrane fuel cell in short-term microgravity condition. Applied Energy, 2014, 136: 509-518。

　　該研究工作得到了國家自然科學基金、微重力重點實驗室開放課題等的資助。

 

不同重力條件下PEMFC電性能變化特徵 

　　燃料電池是一種通過電化學反應持續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉化成電能的發電裝置，因其比功率高、比能量高、響應速度快及可大功率、長時間供電的特點，在航天領域中的應用日益得到重視。但在空間微重力環境中，燃料電池內部伴有電化學反應的兩相流動將呈現出和地面常重力環境迥然不同的特性，不僅對燃料電池氣液管理提出了新的挑戰，而且還直接影響到燃料電池的電性能及其穩定運行，成為航天用燃料電池技術發展中亟待解決的關鍵技術問題之一。另一方面，即使對於地面常重力環境中的燃料電池應用而言，重力同樣對其內部兩相流特徵並進而對其電性能有重要影響。因此，對燃料電池內部過程中的重力影響機制的研究具有重要的學術意義和重大的應用價值。
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