质子交换膜燃料电池内电荷传递的数值模拟

为深入研究质子交换膜燃料电池内电荷传递的规律,发展了一个三维的单相流、非等温数学模型,模型考虑了电子在催化层和扩散层、质子在催化层和质子交换膜中的传递。通过计算得到了电池内电位和电流密度的空间分布,分析了不同电极结构参数下电流密度的分布和最终造成的性能差异。结果表明,欧姆电位的下降主要发生在膜相电位,而碳相电位的下降几乎可以忽略不计;电流密度在流道与集电极交界处出现＂火焰形＂累积效应;改变电池的结构对电池性能影响不大,应结合加工成本和电流密度分布综合考虑。     

直接液体甲醇燃料电池流场组织行为研究(Ⅱ)双极板交错布置新方案

利用已建立的数学模型,在考察了两极极板对称布置的传统直接甲醇燃料电池几何参数影响的基础上,提出了一种两极板交错布置的新方案.对比研究了交错布置和对称布置两种方案的流场特性、电荷流动特性和化学反应分布特性,计算了该方案的催化层、扩散层和质子交换膜尺度的影响.优化尺度后,得出一个性能较优的采用交错布置方案的电池,其输出电势和极限电流密度均比传统对称布置方案提高约10%,为甲醇燃料电池的组装和优化设计提供一种新思路.     

钙离子对质子交换膜燃料电池性能衰减机理研究

采用试验方法,通过向质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极(阳极和阴极)注入2种浓度(200和500 mg/L)的Ca~(2+)溶液,研究Ca~(2+)对PEMFC电化学性能的影响;通过扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对经Ca~(2+)污染20 h后的电池性能的衰减机理进行研究。实验结果表明,经200和500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,电池的电化学性能衰减明显,随着Ca~(2+)浓度的增加,电池电化学性能衰减程度增大;SEM和EDS实验结果表明,经500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,阴、阳两极的气体扩散层分别与阴、阳两极的催化层剥离,在质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层均发现Ca元素,在质子交换膜上Ca元素含量高于其他部件上;EPMA实验结果表明,Ca~(2+)污染PEMFC阳极后,Ca元素主要存在于质子交换膜上;研究结果表明,PEMFC电化学性能衰减的机理主要是由于Ca~(2+)与质子交换膜中的质子发生离子交换反应并取代质子交换膜中的磺酸根基团上的质子形成新的磺酸盐结构所致。     

基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究

质子交换膜燃料电池的流道结构对反应气体的流动和压降等具有重要影响。受神经元结构启发,提出一种兼顾径向流道和仿生流道在压降和气体分布均匀性优点的新型仿生流道结构。通过COMSOL软件模拟研究该新型流道的分支数（2~9）对质子交换膜燃料电池的性能曲线、阴极氧浓度分布、水浓度分布及压降的影响。结果表明：增加流道分支数可提高质子交换膜燃料电池的输出性能,其中9分支流道的峰值功率密度最大,为0.32 W/cm²,相比于2分支流道增加了的146.15%;分支数的增加也会提高氧浓度分布的均匀性,阴极气体扩散层与催化层交界面处的平均氧浓度从0.44 mol/m³提高到1.42 mol/m³,氧气不均匀度从2.13降低至0.90;分支数的增加也明显改善了弧形流道内的水浓度分布。此外,随着流道分支数从2增加到9,流道压降从38.57 Pa递减至4.47 Pa,质子交换膜燃料电池的输出功率从0.40 W递增到1.56 W。     

液相进样直接甲醇燃料电池性能初探

报道了用质子交换膜液相进样直接甲醇燃料电池（ＤＭＦＣ）的样电池操作性能。利用自制的Ｐｔ－Ｒｕ／Ｃ催化剂,采用特殊工艺制备了膜电极,组装了单电池系统。考究了扩散层中聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）含量、甲醇水溶液浓度、氧气压力、操作温度等操作条件对单电池性能的影响。     

气体扩散层结构对PEMFC性能影响二维数值模拟

质子交换膜燃料电池在运行过程中反应物从流道传输至催化层时会经过气体扩散层,气体扩散层即 可用来传输反应气体,又用来排出反应物生成的水,所以探究气体扩散层的结构对参加反应的物质及生成物 传输的影响规律有助于了解其分布情况。通过数值模拟比较了穿孔型、树状型和不规则形状气体扩散层在不 同孔隙率下顺流流动时对电池性能的影响情况。计算结果表明,气体扩散层结构严重影响质子交换膜燃料电 池性能,三种不同形状的气体扩散层对应的电性能随孔隙率的变化规律各不相同,到达催化层表面氧气的含 量受扩散层结构影响比氢气大,气体扩散层结构对阴极侧生成物水含量的影响不可忽略。     

扩散层结构对质子交换膜燃料电池性能的影响

设计了等效孔隙率为0.67且含有不同孔径分布的5种扩散层,并建立了二维、单相、等温的质子交换膜燃料电池稳态模型,模拟研究了扩散层内不同孔径分布对电池性能的影响。研究表明,扩散层骨架的特性直接影响电池的电性能,电子通道的最小尺寸会影响极化曲线欧姆极化区的斜率;阳极侧氢气的传输受孔结构影响不大,认为基本不受孔结构的影响;在阴极侧,氧气的传输受气体通道与流道交界面尺寸的影响。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型

质子交换膜燃料电池膜电极组件表面的温度分布会影响质子交换膜燃料电池的性能、寿命和可靠性.为探究质子交换膜燃料电池传热规律,本文提出了一种基于神经网络的质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的预测模型.本研究选取径向基函数神经网络(RBF)和广义回归神经网络(GRNN)两种神经网络,以电流密度、温度点的位置作为网络输入,不同位置的温度作为网络输出,对平行流道质子交换膜燃料电池、蛇形流道质子交换膜燃料电池分别建立了神经网络预测模型.结果显示,RBF神经网络预测的均方根误差平均为0.464、平均绝对百分误差为1.179％,GRNN神经网络预测的均方根误差平均为0.7155、平均绝对百分误差为2.27％;相较于GRNN神经网络,RBF神经网络精度更高;基于RBF神经网络的平行流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与96％的实验值的相对误差在5％以内.基于RBF神经网络的蛇形流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与95％的实验值的相对误差在5％以内.     

PEM燃料电池气体扩散层液滴运动的可视化实验研究

扩散层作为质子交换膜燃料电池的一个重要组成部分,对电池性能有着极大的影响.将碳纸扩散层从电池单体中独立出来,针对液态水在碳纸多孔介质中的传输进行了可视化的实验研究,同时将三种流场板对排水性能的影响进行了比较.实验结果表明:碳纸的平均孔径对液态水穿透有着重要影响;蛇型流道更有利于液态水从电池中排出.     

质子交换膜燃料电池阴极传质过程的数值模拟

利用CFD方法对采用交指型流道质子交换膜燃料电池阴极的传质过程进行数值模拟,得到了阴极扩散层内氧气和水蒸汽质量浓度的分布特性,探讨了电池结构参数和操作条件对电池性能的影响。     

质子交换膜燃料电池数值分析

建立了一个三维的数学模型来模拟研究质子交换膜燃料电池,以及流道里流体的流动、阳极氢气和阴极氧气各组分的传递、热量传递、电荷传递、和氧化还原的电化学反应动力学,得到了电池内的组分浓度分布情况、温度场分布情况、以及多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响.     

质子交换膜燃料电池阳极内流动与传质特性模拟

针对直流道质子交换膜燃料电池阳极，建立二维稳态的数学模型研究流道和电极内的流动和传质特性。模型采用通用Darcy定律来描述多孔介质与非多孔介质区域的流体流动，可以模拟沿流动方向上的物质变化情况，并探讨进口速度、进口氢气质量分数和催化层厚度对质量传输的影响。结果表明：增大进口速度、增加进口氢气质量分数、降低催化层厚度有利于氢气的质量传递。     

四流道蛇形结构质子交换膜燃料电池温度分布数值模拟

为研究温度对质子交换膜燃料电池性能的影响,运用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,对不同电池温度的四流道蛇形流场质子交换膜燃料电池进行了数值模拟。模拟得到了不同电池温度下垂直膜电极平面以及电池中心处从阳极流道到膜,再到到阴极流道的温度变化情况;还得到了电池温度为353K时,电池入口处、中心处和出口处从阳极流道到阴极流道相应位置点的温差变化。对模拟结果进行分析和比较后发现:电池内部温度的升高与电池本身的原始温度存在线性变化关系;电池入口处、中心处和出口处的温度变化趋势存在差异,且电池入口处温升最大,中心处次之,出口处温升最小;随着电池温度的升高,电池因内部反应所产生的热量减少。模拟结果对质子交换膜燃料电池的性能优化有重要意义。     

PEMFC翅脉流道传质及输出性能分析

为研究流道结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应气体质量传输及输出性能的影响,建立翅脉流道、叶脉流道及蛇形流道的三维PEMFC几何模型,并对比3种流道的反应气体浓度分布、压力分布及电流密度分布,最后对翅脉流道结构参数进行优化。结果表明,与蛇形流道、叶脉流道相比,翅脉流道能明显改善流道和扩散层内反应气体浓度分布的均匀性,有利于强化反应气体向催化层的质量传递;翅脉流道能减小气体压力分布梯度,使反应气体扩散更加充分;翅脉流道的平均膜电流密度更大,有利于促进电化学反应稳定进行;翅脉流道能改善PEMFC的输出性能,翅脉流道峰值功率密度比蛇形流道、叶脉流道分别提高7.72%和6.25%;减小翅脉流道的直流道长度或圆弧流道圆心角,可提升翅脉流道输出性能。     

质子交换膜燃料电池内部传热传质三维模拟

针对常规流场质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型考虑了电化学反应动力学以及反应气体在流道和多孔介质内的流动和传递过程,详细研究了水在质子膜内的电渗和扩散作用。计算结果表明,反应气体传质的限制和质子膜内的水含量直接决定了电极局部电流密度的分布和电池输出性能;在电流密度大于0.3~0.4A/cm2时开始出现水从阳极到阴极侧的净迁移;高电流密度时膜厚度方向存在很大的温度梯度,这对膜内传递过程有较大影响。     

PEMFC电极孔隙率的优化研究

对质子交换膜燃料电池单体建立了三维稳态电化学模型,考察了气体扩散层孔隙率对电池性能的影响,验证了扩散层孔隙率及层厚的变化反映从气体通道到扩散层和催化剂层的反应气体扩散量,进而影响电化学反应的活跃程度;以膜与阴极催化剂层界面处获得的最大电压为目标函数,采用鲍威尔搜索法对气体扩散层孔隙率进行数值优化,得到了扩散层孔隙率和层厚的最优值。通过优化前后氧气浓度和电流密度的对比显示,这些参数可以显著改善电极的传质性能,使燃料电池获得最佳性能。     

空气抽吸式甲醇燃料电池传热与传质特性

空气抽吸式直接甲醇燃料电池不仅具有被动式燃料电池的优点,同时又便于将其串联成电堆提高输出电压。建立以阴极为管道抽吸式结构的直接甲醇燃料电池的三维、两相、非等温稳态数值模型,研究了质子交换膜性能、供给甲醇浓度以及电堆规模对电池性能及燃料利用率的影响。对于保温较好的大电堆,采用低甲醇穿透的改性质子交换膜能同时提升燃料利用率和比功率;此类电堆若采用穿透率低的改性膜,则2 mol/L的甲醇浓度就能保证电池在较大的电流密度区间内维持较高的功率与效率。作为影响电池运行温度的重要因素,电堆规模的大小将直接影响质子交换膜种类与甲醇浓度等关键参数的设计与选择。     

PEMFC圆形双极板径向流场环形肋板孔道研究

为研究质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场环形肋板上的孔道对电池性能的影响,借助多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对不同孔道数目的流道设计方案进行数值模拟。选定某一特定孔道数目之后,进一步研究孔道的形状尺寸对电池电化学性能和物质输运能力的影响。结果表明：增加环形肋板上孔道的数目有利于提升电池输出功率,采用长宽比为1.50~1.75的矩形孔道的燃料电池整体性能最优。     

质子交换膜燃料电池专用碳纸的制备及性能测试

采用湿法造纸技术制备质子交换膜燃料电池电极扩散层专用碳纸材料,考察了影响专用碳纸性能的主要因素。研究结果表明：分散剂、粘合剂和纤维长度等对碳纸物性具有较大影响。以3M的NaOH处理碳纸的基体材料,控制打浆度20°SR,按比例加入自制功能性分散剂,在优化工艺条件下,制备的碳纸物性基本和日本东丽公司产品(Toray碳纸)物性相同。以自制的碳纸和Toray碳纸为电极扩散层基体材料组装成电池,放电性能测试表明,自制碳纸是一种较为理想的燃料电池电极扩散层基体材料。     

质子交换膜燃料电池双极板的设计与模拟分析

质子交换膜燃料电池是直接将化学能转换为电能的装置,双极板上的流道结构对燃料电池的工作性能具有较大的影响。根据应用要求设计了具有平行流道、蛇形流道及希尔伯特分形流道的双极板结构,模拟计算了氢气在不同类型的流道和气体扩散层中的分布状态,分析了燃料电池的输出电流密度和功率密度随电极间电压的变化特点,比较了不同的流道结构对燃料电池输出电流密度的影响,以及不同的工作温度及气体压强的情况下,燃料电池输出电流密度随温度及压强的变化规律。