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。     

三维阳极自呼吸微流体燃料电池性能强化

本文对三维阳极自呼吸微流体燃料电池进行了结构改进,缩短了微通道长度,减小了阴阳极间距,去除了隔离棒,利用阴极附近电解液的快速流动来减轻燃料渗透;研究了该电池的性能特性,考察了电解液浓度、甲酸浓度和反应物流量对电池性能的影响。实验结果表明,该电池性能随电解液及甲酸浓度的升高均先上升后下降,随反应物流量的升高先增加后趋于稳定。当电解液浓度为1.0 mol·L~(-1)、甲酸浓度为0 5 mol·L~(-1)、反应物流量为300μL·min~(-1)时,电池的最高功率密度可达44.6 mW·cm~(-3),比相同体积、相同阳极有效面积的同类电池提高了107%,电池性能得到有效强化。     

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。     

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.     

自呼吸式碱性直接葡萄糖燃料电池研究

本文设计了基于无Pt电极的自呼吸式阴离子交换膜(AEM)直接葡萄糖燃料电池(DGFC),并对其性能进行了实验研究。结果表明,在室温下,自呼吸式AEM-DGFC的最大功率密度达到20.8 mW·cm~(-2),最大电流密度为156mA·cm~(-2),优于以葡萄糖为反应物的传统的微生物燃料电池和酸性直接葡萄糖燃料电池(PEM-DGFC)。实验还探究了葡萄糖浓度以及KOH浓度对于自呼吸式直接葡萄糖燃料电池性能的影响,葡萄糖浓度的升高一方面会降低传质极化,另一方面会阻碍OH~-的传输,增大电池的内阻。0.7 M浓度的葡萄糖使燃料电池性能达到最优最优。KOH浓度从2M升高到4M时,使得阳极的GOR速率加快,电池性能进一步提升。     

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。     

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.     

基于非铂无膜阴极直接甲酸燃料电池性能特性

本文通过采用天然管状材料制备了一种非铂无膜的空气自呼吸一体式阴极。该电极实现了传统电极中的支撑层、气体扩散层和催化层的功能,因而省去了质子交换膜并简化了燃料电池阴极的制备工艺。基于上述阴极和镀Pd石墨棒阳极,本文构建了无膜管状自呼吸式直接甲酸燃料电池。文中还对阳极液酸碱性、支持电解质浓度、甲酸根浓度和阳极液流速对电池性能的影响特性进行了研究,结果表明,当阳极液采用0.5 mol/L HCOONa+4.0 mol/L KOH,流速为756μL/min时,电池可获得最大功率密度0.73 mW/cm~3。     

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。     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

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。     

质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟

本文发展了一个质子交换膜燃料电池的三维数学模型,用于研究整个电池内的传递现象,模型全面考虑了流体 流动、热量传递、电化学动力学和多组分传递等物理化学过程。数值求解数学模型获得了电池内详细的温度、反应物浓度 和电流等的空间分布情况。为验证模型的正确性,将估算的电池性能与文献中的实验数据进行了比较。     

PEMFC阳极间歇排氢电化学反应过程的MRTBoltzmann研究

本文基于单相等温模型,以间歇排气PEMFC阳极部分为研究对象,采用多松弛Boltzmann方法从孔隙尺度对间歇排气PEMFC内阳极中的流动、传质、电化学反应等电池局部特性进行模拟,并研究了操作温度、压力等对阳极局部特性分布的影响。结果表明,多松弛Boltzmann方法可以很好地预测PEMFC阳极流体流动情况,间歇排氢有助于提升电池的性能,电池操作温度及压力对间歇排氢的电池性能有一定的影响。     

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.     

短时微重力条件下燃料电池性能实验研究

开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对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:当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.     

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.     

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.     

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。