中國儲能網(wǎng)訊：燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，因其比功率高、比能量高、響應(yīng)速度快及可大功率、長時間供電的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用日益得到重視。但在空間微重力環(huán)境中，燃料電池內(nèi)部伴有電化學(xué)反應(yīng)的兩相流動將呈現(xiàn)出和地面常重力環(huán)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(zhàn)，而且還直接影響到燃料電池的電性能及其穩(wěn)定運(yùn)行，成為航天用燃料電池技術(shù)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。另一方面，即使對于地面常重力環(huán)境中的燃料電池應(yīng)用而言，重力同樣對其內(nèi)部兩相流特征并進(jìn)而對其電性能有重要影響。因此，對燃料電池內(nèi)部過程中的重力影響機(jī)制的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和重大的應(yīng)用價值。
中國科學(xué)院力學(xué)研究所與北京工業(yè)大學(xué)郭航教授及其研究團(tuán)隊(duì)合作，利用力學(xué)所百米落塔，在國際上率先對質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等內(nèi)部伴隨有電化學(xué)反應(yīng)的氣液兩相流動特征及相關(guān)燃料電池的電性能變化進(jìn)行了短時微重力實(shí)驗(yàn)研究，并與地面常重力實(shí)驗(yàn)相比較，真正地將重力作為可控變量，彌補(bǔ)了以往在地面常規(guī)重力環(huán)境通過改變流道傾角來研究重力效應(yīng)的做法在方法論上的明顯不足。
最近，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)報道了不同重力條件下PEMFC陰極流道（蛇形單通道，截面積2×2 mm2）內(nèi)的氣液兩相流動特征及其對PEMFC電性能的影響，發(fā)現(xiàn)與地面常重力環(huán)境相比，重力水平的降低導(dǎo)致陰極流道內(nèi)的水氣兩相流型發(fā)生極大變化，進(jìn)而直接影響到PEMFC電性能（如圖）。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)重力對PEMFC內(nèi)水氣兩相流及其電性能的影響與電池運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)：在大電流密度、高產(chǎn)水區(qū)，PEMFC陰極流道內(nèi)由電化學(xué)反應(yīng)生成的液態(tài)水在常重力條件下傾向于在垂直向上流道中匯聚，造成流道液泛淹沒，阻礙反應(yīng)物的有效供應(yīng)及產(chǎn)物的及時排出；而在微重力條件下則傾向于隨氣流移動，易于排出，從而能有效抑制流道液泛淹沒，相應(yīng)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(chǎn)水區(qū)，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(xué)基金、微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等的資助。
不同重力條件下PEMFC電性能變化特征
