微重力燃料電池內氣液兩相流動與電性能研究獲進展

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(chang)時(shi)間(jian)供(gong)電(dian)的(de)特(te)點(dian)，在(zai)航(hang)天(tian)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)日(ri)益(yi)得(de)到(dao)重(zhong)視(shi)。但(dan)在(zai)空(kong)間(jian)微(wei)重(zhong)力(li)環(huan)境(jing)中(zhong)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)伴(ban)有(you)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)的(de)兩(liang)相(xiang)流(liu)動(dong)將(jiang)呈(cheng)現(xian)出(chu)和(he)地(di)麵(mian)常(chang)重(zhong)力(li)環(huan)境(jing)迥(jiong)然(ran)不(bu)同(tong)的(de)特(te)性(xing)
，不(bu)僅(jin)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)氣(qi)液(ye)管(guan)理(li)提(ti)出(chu)了(le)新(xin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，而(er)且(qie)還(hai)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)性(xing)能(neng)及(ji)其(qi)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)，成(cheng)為(wei)航(hang)天(tian)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)中(zhong)亟(ji)待(dai)解(jie)決(jue)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)之(zhi)一(yi)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，即(ji)使(shi)對(dui)於(yu)地(di)麵(mian)常(chang)重(zhong)力(li)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)
，重(zhong)力(li)同(tong)樣(yang)對(dui)其(qi)內(nei)部(bu)兩(liang)相(xiang)流(liu)特(te)征(zheng)並(bing)進(jin)而(er)對(dui)其(qi)電(dian)性(xing)能(neng)有(you)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)

，對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)重(zhong)力(li)影(ying)響(xiang)機(ji)製(zhi)的(de)研(yan)究(jiu)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)學(xue)術(shu)意(yi)義(yi)和(he)重(zhong)大(da)的(de)應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。

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(deng)內(nei)部(bu)伴(ban)隨(sui)有(you)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)的(de)氣(qi)液(ye)兩(liang)相(xiang)流(liu)動(dong)特(te)征(zheng)及(ji)相(xiang)關(guan)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)性(xing)能(neng)變(bian)化(hua)進(jin)行(xing)了(le)短(duan)時(shi)微(wei)重(zhong)力(li)實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，並(bing)與(yu)地(di)麵(mian)常(chang)重(zhong)力(li)實(shi)驗(yan)相(xiang)比(bi)較(jiao)，真(zhen)正(zheng)地(di)將(jiang)重(zhong)力(li)作(zuo)為(wei)可(ke)控(kong)變(bian)量(liang)，彌(mi)補(bu)了(le)以(yi)往(wang)在(zai)地(di)麵(mian)常(chang)規(gui)重(zhong)力(li)環(huan)境(jing)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)流(liu)道(dao)傾(qing)角(jiao)來(lai)研(yan)究(jiu)重(zhong)力(li)效(xiao)應(ying)的(de)做(zuo)法(fa)在(zai)方(fang)法(fa)論(lun)上(shang)的(de)明(ming)顯(xian)不(bu)足(zu)。

最近，該聯合研究團隊報道了不同重力條件下PEMFC陰極流道（蛇形單通道，截麵積2×2 mm2）內的氣液兩相流動特征及其對PEMFC電性能的影響，發現與地麵常重力環境相比
，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
，PEMFCyinjiliudaoneiyoudianhuaxuefanyingshengchengdeyetaishuizaichangzhonglitiaojianxiaqingxiangyuzaichuizhixiangshangliudaozhonghuiju
，zaochengliudaoyefanyanmei
，zuaifanyingwudeyouxiaogongyingjichanwudejishipaichu

；而在微重力條件下則傾向於隨氣流移動，易於排出
，從而能有效抑製流道液泛淹沒，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彙聚會阻塞流道
，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電性能變化特征