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.     

操作参数对PEM燃料电池中水迁移的影响

质子膜内水分和阴极多孔电极中液态水含量是PEM燃料电池正常运行的控制因素。本文给出了一个用于研究PEM燃料电池内水迁移的稳态、等温、两相流模型。模型耦合了连续方程、动量守恒方程和物质守恒方程,以及水在质子膜中传递方程。运用试验结果验证了模型的有效性。分析模拟结果表明,增大系统操作压力、升高电池操作温度和降低加湿温度将会使质子膜中水的净迁移通量增大;增大操作压力、降低操作温度和升高加湿温度会增加阴极CTL与GDL界面上液态水含量。     

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。     

PEMFCs的膜及阴极催化层数值模拟

本文提出了一个质子交换膜燃料电池的膜和阴极催化层的一维非稳态数学模型,模型考虑了电化学反应及反应中的传质过程。本文结合算例分析了燃料电池膜及阴极催化层的性能,结果能验证燃料电池内阻理论。论文结果表明:(1)随着输出电流密度的增大,氧浓度分布不均匀性增大; (2)阴极催化层厚度减小,可提高电池输出电压; (3)电池进口处氧气摩尔浓度增大,可增加电池的输出电压。     

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.     

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。     

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。     

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.     

PEM燃料电池内水分布和温度分布的数值模拟

本文建立了一个两相流、非等温、三维模型来研究PEM燃料电池内的传递过程,讨论了其内部水分布和温度分布特性。模拟结果表明水分布和温度分布都不均匀。沿着流动方向阳极侧水浓度逐渐降低,而阴极侧水浓度却不断升高,导致阴极容易形成液态水;在垂直流动方向上,脊下水的浓度和液态水饱和度都高于流道下;不同放电电压下阴极GDL中液态水分布趋势不同。沿流动方向温度逐渐降低,反应气体不足时降低梯度更大;脊下膜电极中温度低于流道下;垂直膜电极方向上最高温度在阴极催化层,放电电压越低,温度梯度越大;相同放电电压下质子交换膜越厚,各处的温度越低,温度梯度也越小。     

质子交换膜燃料电流道淹没与传质强化

在地面常重力环境下,采用透明电池可视化方法研究了质子交换膜燃料电池阳极和阴极的流道淹没现象。分别研究了阳极和阴极反应物流量对电池内部传质和电池性能的影响。结果表明,电池阴极的淹没区域比阳极大,由电极淹没引起的气体传质受限和电化学反应受限主要发生在阴极。提高反应物流量能够强化气体传质并提高电池性能,并且提高电池阴极侧反应物流量比提高阳极侧反应物流量对提高电池性能更有效。本文工作为进一步开展微重力环境中的燃料电池实验提供了比较依据。     

Fabrication of porous metal fiber sintered sheet as a flow field for proton exchange membrane fuel cell

To improve the diffusion performance of reactive gas, a porous copper fiber sintered sheet (PCFSS) was fabricated and used as the flow field for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The pressure and flow velocity distribution of the reaction gas in the PCFSS was firstly compared with the serpentine flow field by using the Fluent simulation software. Our results showed that the superiority of PCFSS in the uniformity of gas diffusion was observed. The total resistance of PEMFC with PCFSS in different porosities was obtained. And the advantages of PCFSS in electronic transmission were found by comparing with the serpentine flow field. Besides, the influences of different operating conditions and different porosities of porous flow fields on the performance of PEMFC were experimentally investigated. With the cell temperature of 70 °C as well as the humidification temperature of 60 °C, a PEMFC with PCFSS of 70% porosity exhibited better performance.     

微流燃料电池空气阴极物质传输孔隙尺度模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微流燃料电池空气阴极多孔扩散层内多组分物质传输特性。随机重构了扩散层,获得渗透率及有效扩散系数。建立了耦合边界电化学反应的二维模型,研究了过电位、孔隙率对氧气、水蒸气浓度分布及局部反应速率的影响。结果表明,常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数;扩散层孔隙结构对物质传输有重要影响,孔隙率减小使得传质阻力增大,导致局部氧气浓度降低,局部反应速率降低,而水蒸气浓度增大,当孔隙率从0.83降至0.7,催化界面平均氧气浓度从8.472降至8.466 mol·m^-3。     

直接甲醇燃料电池两相非等温模型

本文建立了直接甲醇燃料电池的两相、非等温模型.采用多孔介质中的经典多相流动模型来计算电池内与电化学反应相耦合的传质、传热问题;模型中考虑了水的汽化凝结过程和甲醇窜流对电池性能的影响.计算结果表明电池内温度分布不均匀,温度最高点出现在阴极催化层;阳极甲醇浓度分布不均匀是造成阳极催化层内局部反应速率不均匀分布的主要原因,而阴极催化层局部反应速率主要依赖于阴极过电势的分布;大的流场板开口比条件下电池整体均匀性较好,性能得到提高.     

Effect of gas diffusion layer and membrane properties in an annular proton exchange membrane fuel cell

A complete three-dimensional and single phase computational dynamics model for annular proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to investigate the effect of changing gas diffusion layer and membrane properties on the performances, current density and gas concentration. The proposed model is a full cell model, which includes all the parts of the PEM fuel cell, flow channels, gas diffusion electrodes, catalyst layers and the membrane. Coupled transport and electrochemical kinetics equations are solved in a single domain; therefore no interfacial boundary condition is required at the internal boundaries between cell components. This computational fluid dynamics code is used as the direct problem solver, which is used to simulate the two-dimensional mass, momentum and species transport phenomena as well as the electron- and proton-transfer process taking place in a PEMFC that cannot be investigated experimentally. The results show that by increasing the thickness and decreasing the porosity of GDL the performance of the cell enhances that it is different with planner PEM fuel cell. Also the results show that by decreasing the thickness of the membrane the performance of the cell increases.     

两相复合材料有效热导率的理论推导

复合材料有效热导率的解析表达式一直是传热问题中人们想要解决的问题.本文选用合适的单元体,采用热阻模型和积分平均方法,分别对分散相为球体和圆柱体的两相复合材料的有效热导率进行了推导.对于多孔复合材料,当孔隙率较大或温度较高时辐射换热的影响不能忽略,本文分析了气孔为球体或圆柱体时辐射换热对其有效热导率的影响.将计算所得有效热导率与相关实验数据进行了比较,结果表明两者吻合较好,证明了公式的准确性.     

PEMFC阴极流道中阻块高度的敏度分析与优化

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极流道中安装阻块可以强化氧气传输,提升电池性能,但不同位置的阻块高度对电池性能的影响程度不同。本文建立了一个三维、两相、稳态的PEMFC数值模型,对阴极流道安装有阻块的PEMFC进行了数值模拟,并结合全因子设计法研究了不同位置的阻块高度对电池性能的影响程度。此外,基于敏度分析结果,采用遗传算法对阻块高度进行了优化。结果表明:越靠近出口位置的阻块,其高度变化对低电压下的电池功率的影响程度越大。增加靠近出口位置的阻块高度可以促进催化层反应物的均匀分布,提高催化剂的利用率,最大程度地提升电池性能。当组块高度H1和高度增量ΔH分别为0.9537 mm和0.009 mm时,PEMFC性能最佳,与未安装阻块相比,电池最大净功率提高了18.45%。