直接甲醇质子交换膜燃料电池中阳极CO_2去除及水、热的综合管理

直接甲醇燃料电池(DMFC)被认为是21世纪最有潜力的电动汽车动力源。作者对电动车用DMFC阳极流道内的甲醇-水溶液、CO_2气体两相流动,DMFC电池堆的热管理进行了深入的探讨,并参与设计、组装、运行了一个DMFC性能测试系统实验台。 本文将DMFC阳极流道中伴随有流道-扩散层界面上的气液质量迁移过程的两相流动与传统加热管中的流动沸腾现象进行了类比,利用“拟沸腾”的概念,建立了DMFC阳极两相流的物理模型,灵活地使用商业CFD软件“FLUENT”对其进行了数值模拟,得到了合理可信的结果。这样的模拟方法可以应用于不同的流场形式,不同的工况下,以确定流场内CO2含气率的分布,从而预测CO_2气泡堵塞流道现象最可能发生的位置,对改进流场结构,优化DMFC阳极的CO_2气体管理(尤其是在判断新形式的流场的优势和不足的过程中)起到积极的作用。 本文对新型的分形树状流场进行了深入的研究,详细分析了其在传热和流动方面的特点,继而对把这种新型的换热结构用于燃料电池堆的冷却系统的可行性和优势进行了分析。这种新型的换热结构可以在被冷却面上造成强烈的导热效应,从而形成均匀的温度分布。本文使用商业CFD软件“FLUENT”对其进行了数值模拟,充分考虑了流体区的以对流为主的换热效应和固体区强烈的导热效应之间的相互作用,显示了分形树状流场在温度控制方面的巨大优势和用于燃料电池堆热管理的潜力。 参与设计和组装了DMFC性能测试系统试验台。通过对试验台的成功运行,完成了对欧姆极化区极化曲线的绘制,为今后的进一步的实验工作打下了坚实的基础。