代表性研究成果5 名称 |
类别 |
成果为第一完成单位 |
本室固定 人员参加 名单 |
所属研究方向 |
燃料电池多相传热传质机理与水热管理调控 |
应用基础类 |
是 |
Micheal Guiver,杜青,焦魁,尹燕,秦彦周,张俊峰 |
内燃机节能新技术与低碳动力装置的研究 |
燃料电池在交通运输、航空航天等领域具有广阔的应用前景,被视作是未来可持续发展的绿色动力源。“水热管理”是限制燃料电池性能的主要因素之一,而有效的水热管理需要建立在深入理解传热传质机理的基础上。此外,燃料电池在零度以下启动(冷启动)时其内部反应生成的水可能结冰,阻碍反应气体传输并破坏内部结构。其内部微尺度条件下的结冰、凝结、蒸发、产热等传热传质机理的研究亦具有重要的科学意义。本研究成果在国家自然科学基金、国家重点研发计划,“973”?重点实验室自主课题以及其它项目的连续支持下,通过理论分析、数值仿真与实验测试相结合的方法,围绕新型碱性膜燃料电池和车用质子交换膜燃料电池水热管理(包括冷启动)的机理和特征开展研究。成果的主要内容包括: (1)建立了新型碱性膜和质子交换膜燃料电池流道内的气液两相湍流直接数值模拟模型,通过仿真计算发现:湍流脉动是液滴破碎的主要原因。并首次用格子玻尔兹曼方法模拟了流道内真实物理参数的气液两相流。研究了从多孔电极(孔隙尺度)到流道(宏观尺度)的气液两相交叉流过程,发现了其四种传输路径。阐明了各种设计和操作参数与电池性能之间的关系,并以此为指导制备了新型自保湿膜,以及新的碱性膜电极(所组装电池性能为文献中最高)。 (2)针对车用质子交换膜燃料电池冷启动的问题,阐明了电极微观结构对结冰机理的影响规律,揭示了冷启动对电池结构破坏机理。提出了一种氢氧催化反应冷启动方法,可同时实现电池加热和性能提升,实现了-20℃ 冷启动成功。设计组装了新型泡沫流场燃料电池,发现此种燃料电池不仅可以提升冷启动性能,并且相比传统电池最大功率密度提升40%。 (3)针对燃料电池产品研发,建立了一系列的仿真模型,包括:性能快速预测、敏感性分析模型,用于设计、操作参数的初筛,并确定设计边界;瞬态及冷启动模型,用于阳极循环、水循环、冷启动等瞬态过程的仿真分析,以及对控制策略的设计、优化;所发展的三维多相流全电池模型,用于全电池全过程的仿真分析和电池具体结构、操作参数的设计和优化。 本成果主要科技创新包括: (1)解决了格子玻尔兹曼(LBM)方法中多组分耦合,多相边界等问题,首次模拟了燃料电池流道内真实物理系数的多相流动,阐述了液滴移动聚并的机理。 (2)阐明了燃料电池多孔电极、流道内气液固三相输运机理,以及设计、操作参数对其的影响规律,揭示了电极设计对结冰过程的影响机理。 (3)基于对多相传热传质过程的理解,设计制备了新型碱性燃料电池膜电极,所组装电池性能文献中最高。开发了自保湿质子交换膜(成果在Nature、Nature Materials 等期刊上发表)。 (4)提出了新的水热管理调控方法(如氢氧催化冷启动,确保-20oC启动成功)和新的电池设计(如泡沫流场,功率提升40%)。 (5)所建立的一系列燃料电池仿真模型被广泛应用于燃料电池产品研发(如一汽、新源动力等单位)。 研究水平与成效: 本成果近五年共发表SCI论文80余篇,他引1000余次。在燃料电池多相传热传质机理方面的研究得到了国际上广泛关注。美国劳伦斯伯克利国家实验室燃料电池组组长Weber博士引用了我们在水热管理方面的4篇文章,并且采用了本成果所提出的膜中水含量和湿度、温度的关系式(ECS Transactions, 69 (17) 985-994)。香港科技大学T.S Zhao教授发表在Progress in Energy and Conbustion Science最新碱性膜燃料电池综述中重点介绍了本成果所发展的模型,大篇幅引用了本成果8篇报道的成果,包括直接引用其中典型研究结果揭示燃料电池内部多相传热传质机理。 德国马克斯普朗克研究所Krewer博士认为本成果在碱性膜燃料电池水热管理方面的研究是开创性的(Chemical Engineering Science, 143, 181-193),指出只有我们对氢氧碱性膜燃料电池进行了水管理研究。英国纽卡斯尔大学Chakraborty教授发表Int.J. Hydrogen Energy论文指出,目前基于数值模型研究碱性膜燃料电池内电化学和传输现象的很少,本成果的工作填补了这一研究的空白。美国宾州州立大学Hickner教授发表在J. Polymer Science论文评述认为,除了我们的相关研究之外,碱性膜燃料电池方面的水热管理研究还很少见,并指出此类燃料电池前景广阔,势必会引起研究者的重视。 韩国现代汽车公司的研究者发表在Int. J. Hydrogen Energy论文评述认为:这种氢氧催化反应冷启动方法不仅能够-20oC启动成功,还可以加湿阳极,进一步提高性能。美国福特汽车公司研究者发表在Journal of The Electrochemical Society引用认为:这种氢氧催化反应方法不仅有助于冷启动,还可以有效避免碳腐蚀。基于在冷启动方面的研究成果,本成果完成人在2017年撰写综述Cold start of proton exchange membrane fuel cell被Progress in Energy and Combustion Science(IF 17.4)接收。 |