直流道PEMFC两相流数学模型

建立直流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维非等温两相流数学模型.基于质子交换膜与气体之间的水分传递特征,综合考虑电渗、浓度扩散及电化学反应作用的影响,发展了膜电极水分传递的非平衡扩散模型.并自主开发程序代码对电池内复杂的多物理场耦合传递过程进行数值模拟,研究PEMFC电极内气态水、液态水分布、质子膜含水量分布和水迁移特性等,分析单电池内部的温度分布特征,并获得电池极化性能曲线.     

PEM燃料电池内液态水和温度分布特性

水和热的管理对PEM燃料电池的性能具有决定性的作用.本文建立了一个两相流模型,对PEM燃料电池换质子交换膜和阴极中的水分和温度进行了模拟,分析了燃料电池阴极中液态水和质子交换膜中水分,以及阴极催化剂层和质子交换膜中温度的分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度,电池阴极中的液态水和质子交换膜中的含水量显著增加;沿着气体流动方向,燃料电池内的温度降低,水分含量升高;从质子交换膜阳极侧到阴极催化剂层中,温度先升高,达到最大值后,渐渐降低.     

质子交换膜燃料电池电流分布的动态响应

动态特性是理解质子交换膜燃料电池性能的重要参数之一.运用燃料电池测试系统、恒电流/恒电压多通道测试仪和燃料电池电流密度分布测试装置,试验测量了质子交换膜燃料电池在不同加湿温度、电池温度和压力下的电流分布动态响应和动态特性.研究发现:不同区域的局部电流达到新的平衡所需的时间不同;加湿温度变化时,不同区域的局部电流的变化趋...     

不同进气湿度PEMFC动态响应分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作参数的影响最终要体现在对电池内传质过程的影响上。实验得到了在不同进气加湿程度下电池性能在启动工况中的变化,基于非稳态数学模型计算了不同阴极入口湿度下电池在负载渐变工况下膜内含水量和电流密度的瞬态响应,并与相应的实验工况进行了对比。     

PEMFC气体扩散层内各向异性传递过程数值模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)具有各向异性属性,常规数值模拟对GDL采取均匀模型,忽略了各向异性传递过程对PEMFC性能的影响。本文发展了一个三维非等温单相模型,在GDL平面内和GDL厚度方向采用不同的传递系数,模拟了各向异性传递系数对PEMFC整体和局部性能的影响。在本文计算条件下,GDL各向异性和均匀模型模拟得到的电池极化曲线几乎完全相同,但电池电流密度分布和温度分布等局部特性存在很大差异。该结果进一步证明了不能单独用极化曲线来验证电池数学模型的正确性。     

PEMFC阳极扩散层表面温度和热流密度联测

质子交换膜燃料电池内部温度及热流密度对电池性能和寿命等有重要影响。为实时监测电池内部的温度和热流密度,本文利用真空蒸发镀膜技术自制了薄膜传感器,并将传感器置于质子交换膜燃料电池阳极侧,同步在线测量了燃料电池在不同气体流量下温度及热流密度随电流密度变化规律。结果表明,燃料电池运行过程中,内部温度和热流密度随电流密度增大而升高,高电流密度工作时温升更明显。电流密度较小时,加热棒对电池内部温度影响显著。随着电流密度增加,电化学反应产热作为主要热源,对电池内部温度影响逐渐占据主导作用。     

H_2SO_4掺杂对高温PBI膜燃料电池性能的影响

质子交换膜是质子交换膜(PEM)燃料电池的核心,对电池的性能起到了至关重要的作用。论文配制了以磷酸为基础并加入硫酸的掺杂剂,制备了掺杂的高温PBI膜,通过电镜照片对比了掺杂膜表面的差异,测试了高温PBI燃料电池的Ⅰ-V特性和交流阻抗特性,分析了高温PBI膜掺杂硫酸的含量和电池温度对其特性的影响。研究发现:在加热条件下掺杂硫酸酸化膜时,对膜的微观结构有一定程度上的破坏,高温PBI燃料电池的特性也随之降低。研究结果对高温PEM燃料电池的PBI膜的性能的深度探索,推动高温燃料电池的普及化应用具有重要意义。     

不同流场下进气对质子交换膜燃料电池性能的影响

流场的结构对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的水管理和气体的传递具有十分重要的影响,相关研究一直是燃料电池的研究热点与重点。本文以纯氧气和空气作为阴极氧化剂,通过电池的性能测试、极化曲线和电化学阻抗分析等原位实验,分析了气体的流动与传输、不同流场下的电流密度、入口反应气体浓度等条件对电池性能的影响。实验结果表明,提高氧气浓度可以获得更好的质子交换膜燃料电池性能和最小化活化损失,纯氧气、波状流场的使用效果随进气量的变化而有明显的变化。     

质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究

利用落塔开展了不同重力情况下质子交换膜燃料电池性能的实验研究.对常重力和微重力条件下质子交换膜燃料电池发电时其阴极蛇形流场内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对质子交换膜燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:在常重力环境中,液态水堆积在竖置流道的底部,无法有效排出.聚集在流道内的液态水与反应气体在流道内形成气/液两相流动.在微重力环境中,液态水在气体推动力的作用下从流道的底部上升并沿流道向出口流动.聚集在流道内的液态水排除后,减小了反应气体(氧气)从流道向催化层的传递阻力,从而使质子交换膜燃料电池的性能得到提高.     

质子交换膜燃料电池动态响应性能实验研究

本文实验研究了质子交换膜燃料电池负载变化时的动态性能,分析了氧气计量比流量和流场板结构的影响。结果表明,在本文的操作条件下,燃料电池动态响应能力的控制因素为质子交换膜水含量及液态水传递过程。随着氧气计量比流量的增加,电池性能及动态响应能力提高。采用不同流场板结构时,在输出电流较小的运行区间,平行流场板电池性能较好,随着平行流道数目减少,电池性能逐渐变差。