微重力環(huán)境下質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)兩相流體動力學特性研究.pdf

1、1965年，質(zhì)子交換膜燃料電池作為空間項目主電源首次應用于美國國家航空航天局的雙子星載人飛船并登入太空。上世紀90年代起，質(zhì)子交換膜燃料電池由于取得了技術上的突破，逐漸取代了堿性燃料電池在空間領域的應用。質(zhì)子交換膜燃料電池由于其具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率高，零排放，運行溫度低和燃料可再生等優(yōu)點，有希望成為新一代的空間任務主電源。 質(zhì)子交換膜燃料電池技術在工程應用上的一個關鍵問題是液態(tài)水管理。目前，所有關于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部液態(tài)水

2、動態(tài)特性及其對電池性能影響的研究都是在地面常重力環(huán)境下進行。關于質(zhì)子交換膜燃料電池在微重力環(huán)境中的運行特性未見公開發(fā)表物報道。微重力環(huán)境下氣/液兩相流呈現(xiàn)出與地面常重力環(huán)境迥然不同的特性，受氣/液兩相流動態(tài)特性的影響，微重力環(huán)境中的氫質(zhì)子交換膜燃料電池的運行特性將與地面常重力環(huán)境不同。因此，研究氫質(zhì)子交換膜燃料電池在微重力環(huán)境下的運行特性及其內(nèi)部的流體管理則顯得尤為重要。 首先，本文建立了氫質(zhì)子交換膜燃料電池流場內(nèi)液態(tài)水傳遞的基

3、本理論體系，采用理論分析和實驗研究方法研究了氫質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)液態(tài)水傳遞及兩相流動的動態(tài)特性。 其次，本文設計了新型緊湊式透明氫質(zhì)子交換膜燃料電池，采用透明電池直接可視化方法，研究了具有單蛇形通道流場方位的氫質(zhì)子交換膜燃料電池在短時微重力環(huán)境中的運行特性。全部微重力實驗在中國科學院力學研究所國家微重力實驗室完成，該實驗室的落塔微重力實驗設施為本文實驗提供了3．6秒的短時微重力實驗環(huán)境。 最后，本文建立了燃料電池流道內(nèi)

4、氣/液兩相區(qū)環(huán)形膜狀凝結數(shù)學模型，選用MATLAB軟件編程進行數(shù)值求解，得到了描述氫質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)凝結段兩相流體動力學特性參量的數(shù)值結果。 本文主要工作和取得的主要成果包括： 1．對常重力環(huán)境下采用直接可視化方法研究氫質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)兩相流體動力學特性的公開發(fā)表物進行了全面回顧。 2．理論分析與實驗研究氫質(zhì)子交換膜燃料電池陰極側液態(tài)水流體動力學特性。建立氫質(zhì)子交換膜燃料電池流場內(nèi)液態(tài)水傳遞的基本理論

5、體系，計算并預測液態(tài)水開始凝結的臨界曲線，得到了由運行參數(shù)劃分的單相區(qū)與兩相區(qū)。實驗研究氧氣流量，運行溫度，龜池角度對氫質(zhì)子交換膜燃料電池流場內(nèi)兩相流特性和電池性能的影響。 3．設計并建立用于落塔短時微重力氫質(zhì)子交換膜燃料電池實驗系統(tǒng)，并實現(xiàn)實驗系統(tǒng)中的電氣與控制系統(tǒng)與落艙電氣與控制系統(tǒng)對接。實驗系統(tǒng)包括：物料供應，物料排放與回收系統(tǒng)，電池溫度測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可視化拍攝系統(tǒng)。設計制作了發(fā)光二極管直流驅(qū)動電路照明系統(tǒng)。設計

6、建立了實驗系統(tǒng)設備的主，控電路系統(tǒng)。 4．改進設計并加工了緊湊式輕型透明氫質(zhì)子交換膜燃料電池。高性能穩(wěn)定運行的透明燃料電池能夠真實反應氫質(zhì)子交換膜燃料電池的實際運行特性。校核計算了螺栓，螺紋強度以及螺桿在沖擊載荷下抗剪切能力。 5．研究了豎直角度放置的流道方位內(nèi)，重力因素變化對不同運行工況下流場內(nèi)兩相流體動力學特性以及電池的伏安輸出特性的影響。結果表明，電池外電路電阻為0．01Ω時，電池產(chǎn)水量較多。進入微重力環(huán)境后強化豎

7、直流道上升段排水，消除流道淹沒，電池性能得到提升。電池外電路電阻為0．03Ω時，電池產(chǎn)水量較少。進入微重力環(huán)境后，重力消失促進了液態(tài)水在豎直流道上升段的移動。但重力因素對液態(tài)水的動態(tài)特性及電池性能變化影響不一致。實驗結果同時表明，重力因素變化越大，電池內(nèi)的流動特性和電池輸出特性變化越明顯。 6．研究了豎直角度放置的流道方位內(nèi)，重力因素變化對不同運行工況下流場內(nèi)兩相流體動力學特性以及電池的伏安輸出特性的影響。結果表明，水平角度放置

8、的流道內(nèi)液態(tài)水量較少，液態(tài)水主要以液滴形式存在。微重力環(huán)境下，液滴脫落直徑將增大。在水平方位的流道內(nèi)，短時微重力持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生的液態(tài)水滯留在流道空間內(nèi)，降低電池性能。落艙入網(wǎng)瞬間形成15g左右的沖擊加速度造成的超重作用，改變了氫質(zhì)子的遷移方向，使電池電勢暫時升高，電流降低。 7．建立了燃料電池流道內(nèi)氣/液兩相流動區(qū)環(huán)形膜狀凝結數(shù)學模型，選用MATLAB軟件編程進行數(shù)值求解，得到描述氫質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)凝結段兩相流體動力學特