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。     

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.     

室温合成非晶三硫化钼析氢催化剂的性能调制以及其在串联制氢器件中的应用

高催化活性、低成本、良好工艺兼容性以及高稳定性的析氢催化剂是实现一体化光电化学水解制氢器件的关键, 然而传统的贵金属催化剂由于储量稀缺、成本高昂而严重限制了光电化学水解制氢器件的产业化进程. 本文在室温下通过湿法化学合成法制备了高催化活性、成本低廉以及工艺兼容性好的非金属非晶三硫化钼析氢催化剂, 并研究了不同催化剂滴涂量对其催化活性以及串联制氢器件制氢性能的影响. 结果表明, 存在最优化非晶三硫化钼催化剂滴涂量以获得最佳催化活性(10 mA/cm²电流密度对应电势达260 mV vs. RHE(可逆氢电极), 塔菲尔斜率达68 mV/dec), 其粗糙表面以及多孔结构可获得更大的电化学接触面积以促进析氢反应. 进一步将其作为光阴极应用于串联制氢器件, 可有效降低过电势损失和提高光生电流密度输出, 与光阳极结合有望提高制氢效率.     

质子交换膜中的传质分析

质子交换膜燃料电池是最有应用前景的汽车动力替代系统。质子交换膜中的传质是质子交换膜燃料电池性能的控制因素之一。论文从宏观和微观角度分析了质子交换膜中的质子和水分的传递机理,分析了操作参数对质子在质子交换膜中传递的影响。研究发现:外载荷对质子和水分在质子交换膜中的传递有很大影响;（H₅O₂）⁺是水合质子的主要结构形式;通过（H₅O₂）⁺中氢氧键不断形成与断裂,电荷在质子交换膜中得以传递。研究结果对理解质子交换膜中的传质机理及其推广应用具有积极意义。     

全钒液流电池传质及电流分布

为了解决大规模蓄能全钒液流电池中传质不均衡而导致电池寿命缩短的问题,本文建立了一个三维数值模型研究全钒液流电池中的传质规律。模型耦合了Nernst-Planck方程、Butler-Volmer方程、Nernst方程、质子交换膜中的传质方程等。模型模拟了全钒液流电池中不同价态钒离子的分布规律,以及电解质电流密度和电解质电势分布规律。研究发现:在放电过程中,沿电解液流动方向,反应物的离子浓度逐渐减少,生成物的离子浓度逐渐增加;电解质电流密度在膜表面达到最大,向两侧的集流体方向逐渐降低;沿电解液流动方向和阴极指向阳极方向,电解质电势逐渐降低。结果表明:集流体附近电化学反应更剧烈,质子在Nation膜中的传递主要是依靠电渗作用和浓差作用.     

机械应力下的质子交换膜燃料电池两相流研究

为了研究质子交换膜燃料电池在机械应力下的两相流分布,本文首先选取了四个压缩比：5%、10%、20%和25%来研究压缩对质子交换膜燃料电池性能的影响,研究了最佳压缩比时燃料电池内的两相流分布。研究结果显示：当压缩比为20%时,电池会达到最佳性能;燃料电池的最高温度发生在阴极催化层,燃料电池的温度随着电流密度的增加而增加;燃料电池阳极没有液态水的产生,燃料电池阴极的饱和度最大值发生在肋板下方的气体扩散层,随着电流密度的增加,阴极饱和度沿流道方向增加,当电流密度为1.51 A·cm^-2时,燃料电池的液态水饱和度最大值达到0.4。     

雪花拓扑极板质子交换膜燃料电池性能优化

质子交换膜燃料电池双极板最优流型是提高电池性能的关键,好的流场设计能促使反应气体向扩散层快速扩散和液态水的有效移除。本文提出仿雪花状新型流场设计,能同时兼顾肺部仿生和叶片仿生生物流道的优点。采用三维稳态常温单相质子交换膜燃料电池模型对比分析仿雪花状流场和传统双蛇形流场电池的性能,对比两种流道电池的极化曲线、功率密度曲线以及局部燃料、生成物组分浓度、电流密度分布等。结果表明,在相同运行工况情况下,仿雪花状流场质子交换膜燃料电池比传统双蛇形流场,可以极大降低整体压降,提高反应物均匀性,峰值功率是传统双蛇形流场的1.45倍。仿雪花状流道对燃料气体质量输运、微通道液态水管理、整体压降等方面具有非常明显优势,有望成为燃料电池新型流场设计的有益补充。     

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。     

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.     

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。     

质子交换膜燃料电池-热电制冷混合系统的生态学研究

本文基于生态学准则对稳定运行状态下的混合系统(由质子交换膜燃料电池(PEMFC)与热电制冷装置(TEG-TEC)组成)进行了优化研究,考虑了PEMFC电化学反应中的过电势损失和TEG-TEC内部的不可逆损失,导出了PEMFC工作电流密度与TEG-TEC电流之间的关系以及混合系统的等效输出功率和生态学性能系数(ECOP)的表达式,ECOP表示为混合系统单位可用能损失率的等效输出功率。通过数值计算,给出了混合系统的优化工作区间。结果表明,混合系统的最大功率密度P_c^*和生态学性能系数比单独工作的PEMFC分别提升了1.42%和4.47%。最后研究了工作温度、工作压力、热电元件数量及汤姆逊效应对混合系统性能的影响。     

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波浪形平行流场研究

质子交换膜燃料电池的传统平行流场存在着传质不佳,高电流密度下大量的液态水无法及时排出导致性能急剧下降等问题。提出了一种新型的波浪形平行流场并利用数值模拟方法优化了波浪形平行流场的几何结构。结果表明,相比于传统平行流场,波浪形平行流场不仅能够有效促进氧气的传输,还能加快液态水的去除,采用波浪形平行流场的PEMFC最大输出功率相比于传统设计提升了30.7%,当波浪长度和波幅分别为4 mm和0.8 mm时,采用新型流场的PEMFC性能达到最佳。     

质子交换膜燃料电池动态特性实验研究

质子交换膜燃料电池动态特性的研究对于实际应用来说非常重要,实验研究了质子交换膜单体燃料电池在负载动态变化及启动过程中性能的响应.基于计算机控制的负载变化,得到了在不同进气加湿程度下电池性能在负载突变时的响应和在启动工况中的变化,结果表明电池电流对电压动态变换的响应很迅速,突变工况下电流密度出现了过增现象,高加湿程度的电池在设计启动过程中获得了更好的性能.     

质子交换膜燃料电池动态特性数值分析

本文基于CFD手段计算分析了质子交换膜燃料电池在启动过程、负载突变两种工况下的动态响应特性,与实验结果进行了对比,分析了其影响因素.分析了燃料电池动态工况下膜内含水量、极板电流和阴极扩散层水饱和度三个参数在负载变化时的响应速度,认为膜内含水量、极板电流在2s左右即可达到平衡,而阴极扩散层水饱和度需较长时间才能达到平衡.     

燃料电池开槽流场传热传质过程三维仿真分析

质子交换膜燃料电池广泛应用于电动汽车领域,流场设计对于电池性能具有重要影响,本文通过三维多相多物理场数值模拟,研究了三种不同流场对电池内部气体分布、温度分布以及除水性能等的影响。结果表明,开槽的流场设计能够显著强化肋下的横向传质,相比平行流场,其气体、温度、电流密度、液态水分布的均匀性有明显改善,性能有所提升。     

质子交换膜燃料电池及其发电系统模拟

本文通过质子交换膜燃料电池单电池子模型、布气管子模型、流场子模型相互耦合,对电池堆传热传质过程加以数值模拟,得到单电池及电池堆的流场、温场、当地电流密度分布、过电位分布;给定平均电流密度下单电池及电池堆输出电压等参数;并比较了平均电流密度、布气管尺寸对电池输出电压、堆内反应物分配的影响;在此基础上,对整个ＰＥＭＦＣ发电系统进行流程模拟和参数分析,得到平均电流密度、重整器Ｓ／Ｃ等主要参数对系统性能影响．     

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...     

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...     

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。