零度以下环境中DMFC性能及传输特性

在零度以下环境中，直接甲醇燃料电池（DMFC）膜电极内的水结冰，将堵塞多孔层孔隙，影响反应物传输和电池性能。本文研究了-5℃条件下主动式DMFC的低温运行特性以及甲醇浓度、氧气流速和放电电流密度等参数的影响。实验结果表明：主动式DMFC可在-5℃环境中成功启动并稳定运行；此时最佳甲醇浓度为4mol／L，高于常温及以上条...     

DMFC两相流及其对传质影响的研究

采用自制的实验系统对液态进料直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极交叉指状流道内的两相况功特性进行了可视化实验研究.自制的DMFC单电池带有透明窗口,采用镀金的不锈钢阴极极板和透明的聚碳酸脂阳极流场板,电解质为Nafion117膜.实验过程中燃料电池的进口总管和出口总管是水平的,进口流道和出口流道是竖直的.实验发现,出口流道中典型的两相流流型是泡状流、而出口总管中的典型流型是弹状流.进口流道中的气弹和气柱导致了阳极传质恶化.     

被动式DMFC水滴积聚及对放电性能影响

本文结合恒电流放电时阴极水滴积聚过程,对影响被动式直接甲醇燃料电池恒流放电性能的甲醇浓度、电流密度及环境湿度等因素进行了实验研究及讨论。结果表明:甲醇浓度高于4 M时,阴极水淹所造成的氧气传输限制为电池放电时间的控制因素;低电流密度放电时,恒电流放电时间主要受阴极侧水淹的影响;高电流密度时,主要受甲醇消耗的影响;湿度越大越易引起阴极水淹。     

被动式DMFC变负载动态响应特性

被动式直接甲醇燃料电池作为新型便携式电源,势必会遇到负载动态变化的工作环境。本文针对持续加载/瞬间卸载、持续加载/持续卸载及梯形加载时被动式直接甲醇燃料电池的动态响应进行了实验研究,获得了变负载时电池电压及温度的响应规律。结果表明:加载时电池电压降低、温度升高,而卸载瞬间电压骤升、温度骤降;持续卸载时温度响应滞后于电流密度的变化及电压响应;梯形加载时恒流放电过程对持续加载和卸载时电压响应的影响较小;电池温度随加载周期整体上呈升高趋势。     

三维顺排阳极自呼吸微流体燃料电池性能特性

自呼吸微流体燃料电池是很有前景的新型微型电源,目前其性能的主要限制因素是阳极燃料传质。本文构建了具有三维顺排阳极的自呼吸微流体燃料电池,利用圆柱形阳极在流道中容积式的分布增大反应面积,强化燃料传输。本文研究了燃料浓度和反应物流量对电池性能的影响,并对流道中的两相流动进行了可视化观察。实验结果表明:随燃料浓度或反应物流量的增加,电池性能先升高后降低;产生的CO_2气泡能够被限制在阳极电极和隔离棒中,减小了其对阴极侧电解液流动的扰动;气泡会在隔离棒之间聚并形成气膜,气膜周期性形成和排出的动态行为对电池的放电性能具有较大影响。     

具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池性能特性

微流体燃料电池去除了质子交换膜,避免了膜退化、水管理等问题,是微型燃料电池领域新的研究热点。本文构建了具有可渗透阳极和空气自呼吸阴极的微流体燃料电池,采用甲酸溶液作为燃料对其性能特性进行了实验研究。结果表明:具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池性能随燃料浓度或流量的增加先升高后下降,随电解液浓度的增加而升高;阳极侧反应产生的CO₂气泡对自呼吸微流体燃料电池的性能和燃料利用率的影响较大,适当提高燃料流量有利于气泡的排除。     

DMFC阳极流动阻力特性实验研究

本文借助可视化手段,针对平行流场和蛇形流场,实验研究不同放电电流密度、甲醇浓度、进料温度和入口流量对液相进料直接甲醇燃料电池阳极流场流动阻力特性的影响.结果表明:放电电流密度增加,流场压降随之增加,小电流放电,蛇型流场较平行流场压降增加慢,当超过某一值时,蛇型流场的压降增加较平行流场快;随甲醇浓度的提高,进出口压降均略有减小,且两种流场压降变化趋势一致;随进料温度升高,平行流场压降逐渐增大,蛇彤流场压降变化较小;随着甲醇溶液流量增大,平行流场和蛇行流场压降均逐渐增人,平行流场增加缓慢,蛇形流场压降增加速度远大于平行流场.     

工作角度对燃料电池性能影响的实验研究

工作角度对燃料电池内气体与水分的流动与分布产生影响进而影响电池性能.本文通过实验的方法研究了在氧气的不同流动方向工作下工作角度对电池的性能的影响.通过分析比较,得出不同条件下电池的最佳和最差工作模式.     

温度对直接甲醇燃料电池动态性能的影响

利用可计算机控制的电子负载单元,本文实验研究了电池温度对液态进料直接甲醇燃料电池单体电池的稳态和动态性能的影响,并考察了该电池对电池温度变化的动态响应。实验结果表明:电池稳态性能随着电池温度的升高而提升,电池对动态负载的响应随着电池的温度的升高而变得更快和更稳定,升温过程中电池对电池温度变化的响应值要高于降温过程中对应的响应值。     

DMFC阳极CO_2气泡生长及脱离特性研究

通过对竖直放置直接甲醇燃料电池水平流道内扩散层壁面上CO_2气泡的受力分析,建立描述气泡生长动力学方程,获得CO_2气泡生长速率和气泡脱离直径的计算方法。计算结果表明:CO_2气泡生长和脱离主要受浮力、曳力、剪切升力和表面张力的控制;气泡生长速率随电流密度和接触环直径的增大而增大;甲醇溶液流速增加,气泡脱离直径变小,且流速对气泡脱离直径的影响随接触环直径减小而变大;电池放电电流密度的变化对气泡脱离直径几乎没有影响;温度和甲醇浓度增加,均使气泡脱离直径略有减小;扩散层表面润湿性越好,气泡的脱离直径越小。     

直接甲醇燃料电池热传递数值模拟

本文建立了二维两相非等温的直接甲醇燃料电池(DMFC)模型,综合考虑了DMFC中的电化学反应、热传递、组分传递和甲醇串流。计算了电池内的温度分布、不同电流密度下的膜电极内部最大温差和膜电极平均温度;在此基础上研究了环境和甲醇进口浓度对电池性能、膜电极内平均温度和最大温差的影响。结果表明:膜电极内阴极的温度高于阳极;甲醇进口浓度的上升导致膜电极内平均温度和最大温差上升;环境对电池性能的影响很小。     

燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制

本文首次应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论,对直接甲醇燃料电池中PEM中的传热过程和干涸 现象进行定量研究。建立了相应的数学物理模型并进行了数值求解。计算结果表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的 两个无因次参数D和N是影响PEM中传热的主要因素;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜干涸的主要原因。     

直接甲醇燃料电池反应和组分传递的模型计算

本文建立了直接甲醇燃料电池的二维、单相数学模型来研究电池内各种场的分布情况.模型中考虑了与电化学反应相伴随的、与流体动力学相关的反应与物料传递的耦合过程以及甲醇串流对阴极反应的影响;对阳极和阴极催化层传质过程引入了团聚块模型进行修正.计算了电池内的反应组分浓度分布和局部电流分布以及催化层沿长度方向的局部过电势分布,分析丁催化层内反应的非均匀性.在此基础上考察了对电池流场板结构的改进方案:减小集流板肋条宽度以及在肋条过窄时引入金属泡沫代替电池流场板和扩散层对电池性能的影响,通过对比计算表明两种改进均可以使得催化层反应均匀化,使电池输出性能得到提高,后者效果更佳.     

直接甲醇燃料电池膜及阴极模拟

本文提出一个针对直接甲醇燃料电池膜及阴极的二维、多组分稳态数学模型．模型根据直接甲醇膜燃料电池膜及阴极运行工况特性,考虑质量、动量、组分守恒以及电池中的电化学过程而建立,并应用了计算流体动力学(CFD)技术．模拟结果表明传质对直接甲醇燃料电池的性能影响很大;本文还进行了直接甲醇燃料电池阴极水管理的初步探讨．     

直接甲醇燃料电池气、液相流动数值模拟

本文建立了直接甲醇燃料电池(DMFC)的二维两相模型,并重点研究阳极的两相流动和质量传递.模型考虑甲醇串流现象,定量计算了在不同电流密度下甲醇串流量的大小及其对电池工作性能的影响;模型中提出求解气、液单相流速的方法,并分别研究气、液流速对物质传递和电池性能的影响.定量分析发现:由甲醇串流产生的寄生电势导致实际开路电压值远低于理论值;在大电流密度下扩散层和催化层内的气相体积分数非常大,阻碍了液相燃料向催化层扩散,成为制约电池性能的关键因素;扩散层和催化层内存在气、液两相的反向流动,且气、液相速度分别有利于排出生成气体并推动液体燃料到达催化层;减小多孔介质的扩散率将削弱对流,恶化电池性能.     

直接甲醇燃料电池阳极流道两相流动的拟沸腾模型(I)流动压力降的计算

本文分析了直接甲醇燃料电池阳极流道中存在的气液两相流动现象。通过与传统加热管中流动沸腾现象进行比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,建立了气液两相流压力降模型。基于在建的活化面积为100 cm2的DMFC极板的蛇行流场设计,计算了阳极流道的压力降,分析了各分压力降对总压降的影响。计算结果表明:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。     

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.     

直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场两相流研究

本文针对配备三通道蛇形阳极流场的液态进料直接甲醇燃料电池阳极两相流及电池性能开展了实验研究.液态进料的直接甲醇燃料电池阳极流床内会形成二氧化碳气泡与甲醇溶液构成的两相流系统,其两相流特性受到电池流道设计、运行工况和工作角度的影响,并同时影响燃料电池的性能.本文设计了三通道蛇形流场,通过可视化实验得到直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场内的两相流特性随电流密度变化的规律,并研究了燃料电池在不同旋转角度下的两相流特性和电池性能.实验结果表明:在不同的旋转角度下,电池都体现出较好的工作性能.