PEMFC氣體擴散層蒸發乾燥機理孔隙尺度研究

《PEMFC氣體擴散層蒸發乾燥機理孔隙尺度研究》是依託上海交通大學，由吳睿擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：PEMFC氣體擴散層蒸發乾燥機理孔隙尺度研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳睿
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

質子交換膜燃料電池（PEMFC）被認為是最有前景的清潔能源之一。為了使得PEMFC在低溫環境下運行，通常在電池關閉後通入乾燥氣體進行吹掃，使得陰極氣體擴散層中的液態水通過蒸發乾燥作用被排除。為了減少乾燥氣體吹掃所消耗的泵功以提供電池系統的效率，必須深入了解氣體擴散層內蒸發乾燥過程，以最佳化吹掃參數和氣體擴散層。然而，由碳纖維和憎水材料構成的多孔氣體擴散層不僅具有複雜的微觀結構還具有混合潤濕特性，即其孔隙一部分為親水，而另一部分為憎水。因此，氣體擴散層內蒸發乾燥過程與傳統的完全親水或完全憎水多孔介質內的乾燥過程有很大的不同。 本項目擬採用相似實驗和孔隙網路模型從孔隙尺度揭示在乾燥氣體吹掃條件下氣體擴散層內蒸發乾燥過程；獲得乾燥過程中氣體擴散層內相界面運動特性，液體團數目、結構、和分布的變化規律；得到蒸發乾燥曲線，並揭示粘性力、潤濕性、以及結構對乾燥特性的影響，為最佳化氣體吹掃方案提供指導。

結題摘要

質子交換膜燃料電池（PEFMC）被認為是最有前景的清潔能源之一。為了使得PEMFC在低溫環境下運行，通常在電池關閉後通入乾燥氣體進行吹掃，使得陰極氣體擴散層中液態水通過蒸發乾燥作用被排除。為了減少乾燥氣體吹掃所消耗的泵功以提高電池系統的效率，必須深入了解氣體擴散層內蒸發乾燥過程，以最佳化吹掃參數和氣體擴散層。然而，由碳纖維和憎水材料構成的多孔氣體擴散層不僅具有複雜的微觀結構還具有混合潤濕特性，即其孔隙一部分為親水，而另一部分為憎水。因此，氣體擴散層內蒸發乾燥過程與傳統的完全親水或完全憎水多孔介質內的乾燥過程有很大的不同。 本項目利用相似實驗和孔隙網路模型從孔隙尺度上揭示乾燥氣體吹掃條件下氣體擴散層內蒸發乾燥過程。基於相似實驗，揭示由於多孔介質內較小和較大孔隙界面的結構突擴造成的毛細閥效應，會導致兩種孔隙侵入方式，即突破侵入和聚合侵入，並得到這兩種侵入方式的門闕壓力的表達式。在此基礎上，構建了考慮毛細閥效應的孔隙網路模型模擬多孔介質中的兩相流動以及乾燥過程，並與實驗結果進行對比，發現如果在模型中考慮毛細閥效應，模型的模擬結果和實驗結果吻合較好，否則會有較大差別。基於開發的孔隙網路模型，發現在多孔介質乾燥過程中，如果氣相侵入過程為突破侵入主導，那么氣相侵入過程呈現隨機特性；如果氣相侵入過程為聚合侵入主導，那么氣相侵入呈現穩定侵入特性。在此基礎上，構建了三維規則孔隙網路代表真實氣體擴散層的空間結構，並與開發的孔隙網路模型相結合，對乾燥氣體吹掃條件下氣體擴散層的乾燥特性進行研究。發現氣體擴散層的乾燥可分為三個階段，表面乾燥階段、恆定速率階段、以及下降速率階段。並進一步分析氣體擴散層的混合潤濕特性對乾燥過程的影響。