微重力燃料电池内气液两相流动与电性能研究获进展

燃料电池是一种通过电化学反应持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置，因其比功率高、比能量高、响应速度快及可大功率、长时间供电的特点，在航天领域中的应用日益得到重视。但在空间微重力环境中，燃料电池内部伴有电化学反应的两相流动将呈现出和地面常重力环境迥然不同的特性，不仅对燃料电池气液管理提出了新的挑战，而且还直接影响到燃料电池的电性能及其稳定运行，成为航天用燃料电池技术发展中亟待解决的关键技术问题之一。另一方面，即使对于地面常重力环境中的燃料电池应用而言，重力同样对其内部两相流特征并进而对其电性能有重要影响。因此，对燃料电池内部过程中的重力影响机制的研究具有重要的学术意义和重大的应用价值。

中国科学院力学研究所与北京工业大学郭航教授及其研究团队合作，利用力学所百米落塔，在国际上率先对质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等内部伴随有电化学反应的气液两相流动特征及相关燃料电池的电性能变化进行了短时微重力实验研究，并与地面常重力实验相比较，真正地将重力作为可控变量，弥补了以往在地面常规重力环境通过改变流道倾角来研究重力效应的做法在方法论上的明显不足。

最近，该联合研究团队报道了不同重力条件下PEMFC阴极流道（蛇形单通道，截面积2×2 mm2）内的气液两相流动特征及其对PEMFC电性能的影响，发现与地面常重力环境相比，重力水平的降低导致阴极流道内的水气两相流型发生极大变化，进而直接影响到PEMFC电性能（如图）。实验还发现重力对PEMFC内水气两相流及其电性能的影响与电池运行状态相关：在大电流密度、高产水区，PEMFC阴极流道内由电化学反应生成的液态水在常重力条件下倾向于在垂直向上流道中汇聚，造成流道液泛淹没，阻碍反应物的有效供应及产物的及时排出；而在微重力条件下则倾向于随气流移动，易于排出，从而能有效抑制流道液泛淹没，相应的电性能在微重力条件下比常重力时有4.6%的提高。而在小电流密度、低产水区，微重力条件下分散水滴汇聚会阻塞流道，引起电性能比常重力时降低约6.6%。详见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。

该研究工作得到了国家自然科学基金、微重力重点实验室开放课题等的资助。

不同重力条件下PEMFC电性能变化特征