DMFC燃料电池传热传质研究：理论与实验

"直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)的研究，涉及水管理、热管理和CO清除的传热传质问题。通过理论探索和实验，深入理解PEM(质子交换膜)中的水分传输机制和温度分布。研究发现，水的质量流率低和电流密度高可能导致膜失水，而D和N两个无量纲准则数对于分析PEM中的传热传质过程至关重要。首次使用多孔介质模型研究PEM内部两相逆流现象，并建立了一维、稳态、含内热源的多孔介质相变传热传质模型，考虑了毛细力、电渗力和相变的影响。该模型有助于解释欧姆极化区的性能变化，并为选择最佳阴极催化剂含量和PEM厚度提供理论依据。电池堆的热平衡方程揭示了废热去除的三种机制：反应物吸收、水蒸发和冷却系统。设计了一套分形树状网络通道散热系统，优化后的结构参数显示其在散热性能上优于传统系统。" 在直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)中，传热传质现象是核心研究内容。这种燃料电池被视为21世纪电动汽车的理想动力源。研究主要集中在三个方面：水管理、热管理和CO清除。对电动汽车用DMFC，研究团队进行了深入的理论探索，并构建了一个100 cm²活性面积的DMFC单电池及性能测试系统。 研究者对DMFC的PEM（质子交换膜）进行了定性和定量分析，探讨了能量和质量迁移过程。通过内含热源的多孔介质流动与换热理论，计算了PEM的温度分布和含水量，与实验观测结果相符。他们发现，D和N两个无量纲准则数对于理解PEM中的热量和湿度迁移至关重要，而且水的质量流率低和电流密度高可能导致膜失水。 此外，研究者首次使用多孔介质模型研究了PEM内两相逆流的形成和发展，从传热传质角度揭示了PEM干涸破坏的机理。建立的相变传热传质模型考虑了多种影响因素，如毛细力、电渗力和相变，用于计算两相区的理论长度和临界干涸准则数，帮助解释了欧姆极化区的性能变化。 电池堆的热平衡分析表明，废热可以通过反应物吸收、水蒸发和冷却系统去除。基于DMFC电池堆的水管理和热管理需求，设计了一种分形树状网络通道散热系统，其优化后的结构参数在散热性能上优于平行通道和蛇形通道系统。 通过这些研究，不仅深化了对DMFC工作原理的理解，也为优化电池性能和设计提供了理论指导，有助于推动DMFC技术在电动汽车等领域的实际应用。