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。     

PEM燃料电池中的两相传质及其影响

建立了一个新的二维、两相流模型来研究质子交换膜(PEM)燃料电池中的两相传质及其对质子膜阻抗和阴极性能的影响。模型不仅将催化剂层(CL)包含在电极中,还考虑了电池中相变及其对传质的影响。模型可同时使用在电池的阴极和阳极。主要模拟了电池阴极中两相传质、质子膜阻抗、阴极有效孔隙率和电流密度。模拟结果显示,提高加湿温度可以降低质子膜的阻抗,但过高的加湿温度会降低阴极气体扩散层(GDL)的有效孔隙率,降低阴极的性能。     

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。     

催化剂Pt作用下氧气和质子还原反应分析

氧气在质子交换膜(PEM)燃料电池阴极的还原反应特性对电池性能有重要影响。本文通过建立电催化剂Pt表面的氧吸附模型,及氢与氧在Pt表面进行的氧化还原反应模型,运用分子动力学方法模拟研究了氢原子与氧在Pt表面的反应机理,分析了温度对氧气还原反应特性的影响。研究发现,氢原子和氧原子在Pt表面初次吸附是整个氧气还原反应的控制步骤;随着温度升高,氧气还原反应的速度加快,但温度不影响氧气还原反应各个步骤中的产物结构。研究结果对加强理解PEM燃料电池反应机理,推动燃料电池的应用具有重要意义。     

质子交换膜燃料电池动态特性仿真

建立了质子交换膜燃料电池数学模型,并进行了仿真实现,计算分析了质子交换膜燃料电池典型动态特性和温度对其工作状况的影响.结果表明PEMFC内气体传质速度是影响电压响应时间的决定因素,扩散层内液态水的积累需要较长的时间,数量级在102～103,温度升高会降低PEMFC的动态响应时间并提高电池的输出功率,温度超过80°C后会降低电池的输出性能.     

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.     

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.     

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。     

质子交换膜燃料电池阴极电化学反应路径分析

质子交换膜燃料电池阴极电化学反应对其性能有至关重要的影响。论文基于二电子反应机理,模拟了质子交换膜燃料电池阴极氧和质子电化学反应路径,分析了电化学反应过程中各个步骤能量变化规律和氢氧键形成机制。研究发现,氧分子还原过程中,4个质子逐个接近氧分子,形成氢氧键,最终生成2个水分子;第一个质子采用和氧分子氢氧键102°夹角的方向接近其中一个氧原子,形成第一个氢氧键;当第二个质子和另一个氧原子构成氢氧键时,需要很大的活化能,这是氧还原反应的控制步骤,生成中间产物过氧化氢。研究结果为理解质子交换膜燃料电池电化学反应原理,推动质子交换膜燃料电池的应用具有重要意义。     

PEMFC气体扩散层干燥过程孔隙网络模拟

本文采用三维孔隙网络模型从孔隙尺度上对质子交换膜燃料电池气体扩散层中水分蒸发的干燥过程进行了模拟,并考虑了阴极流道的影响.计算结果表明毛细力在气体扩散层的干燥过程中起主要作用,气相从阴极流道底部开始,以沿气体扩散层厚度方向侵入为先,直到到达气体扩散层底部,随后气相才向流道肩部水平延伸侵入.蒸发速率随气体扩散层中水饱和度...