阴极流道对PEM燃料电池性能影响

目的研究阴极流道变化对PEM燃料电池性能的影响,比较不同阴极流道下的PEM燃料电池的性能和稳定性,优化阴极流道,找出阴阳极流道的最佳组合.方法运用燃料电池测试系统测量了PEM燃料电池的性能参数,比较在相同操作参数,相同阳极流道,不同的阴极流道对电池性能的影响.结果阳极交指/阴极交指流场燃料电池性能最好,阳极交指/阴极蛇形流场燃料电池性能其次,阳极交指/阴极平行流场燃料电池性能最低.阳极流道与阴极流道的最佳组合为阳极交指流道、阴极交指流道组成的流场为最佳组合流场.结论实验结果对PEM燃料电池的流道优化组合具有重要的参考作用,为其推广应用提供了参考依据.     

流道结构对质子交换膜燃料电池工作性能的影响

质子交换膜燃料电池将氢气分解成氢离子和电子,通过外电路产生电流.流道结构将影响氢气和氧气在燃料电池内的流动状态和分布区域,并最终影响输出电流的大小.针对单流道、平行流道、单蛇形流道和复合蛇形流道的燃料电池进行了模拟计算,分析了气体在流道内的扩散过程和电池输出电压的变化情况,对比了不同流道中氢气、氧气和生成的水的分布情况,以及氢气和氧气的输入速率对输出电流密度和材料利用率的影响,获得了优化的流道结构和工作参数,提高了燃料电池的工作性能.     

质子交换膜燃料电池冷却流道的设计与分析

温度是影响质子交换膜燃料电池工作性能的一个重要因素,通过采用冷却水流过冷却流道来控制燃料电池的工作温度,设计了4种冷却流道,采用STAR-CD软件模拟了冷却水流动及传热,分析了不同流量下进出口压降、固体表面最高温度和温度差。结果表明:冷却板B能够有效传导热量且具有较小的压降损失。     

复杂流道质子交换膜燃料电池的三维数值分析

针对模拟复杂流道设计质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell ，PEMFC）的传热传质过程和电池电化学性能，提出一个稳态的、非等温的三维数学模型.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm，20条通路的“蛇形”流道结构PEMFC进行数值计算，得到电池的流场、局部电流密度和组分浓度等的多维分布.并分析了不同渗透率对电池特性所产生的影响.结果表明,渗透率越高，压力降越小，有利于提高电池的性能.     

不同截面流场的质子交换膜燃料电池模拟

流场对于质子交换膜燃料电池至关重要,采用流体力学计算软件Fluent的PEM模块对不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池进行数值模拟和优化设计.研究表明,矩形截面、半圆形截面、三角形截面以及梯形截面流道的质子交换膜燃料电池性能相差不大,而变截面流道的质子交换膜燃料电池性能要远远好于其它非变截面流道的电池.     

卫生瓷产品CAD方法与关键技术的研究

阐述了卫生瓷产品CAD系统的开发方法及其采用的关键技术。该CAD系统实现了产品实体造型与性能分析的无缝集成。其交互式造型模块和参数化造型模块分别满足了新产品和系列产品的设计要求。流道分析模块为流道优化设计提供理论依据,通过对用户所设计的流道进行分析计算,为流道的修改提供决策支持,达到提高坐便器性能的目的。     

流场板二次流对质子交换膜燃料电池性能影响

电池流道结构对电池性能有直接影响，有必要对电池流道结构进行研究。在质子交换膜燃料电池流道内放置堵块可以增强反应气体的传质进而增强电池性能，但不同堵块对电池性能影响不同。采用数值模拟的方法，建立了三维、稳态的单直流道质子交换膜燃料电池数值模型。对阴极流道内放置不同堵塞率堵块的质子交换膜燃料电池进行研究，重点分析堵块产生的二次流对电池性能的影响。研究发现在流道内放置堵块产生的二次流可以增强电池性能，堵块堵塞率为0.8时电池净功率最大。反应气体在流道内受到堵块扰流作用，在堵块后方产生二次流增强了反应气体传质是电池性能增强的主要原因。     

PEM燃料电池阴极加湿对浓差极化的影响

运用Fluent的PEM模块对质子交换膜燃料电池不同的加湿程度进行研究。分析了不同的加湿程度对燃料电池性能的影响，尤其讨论了在高电流密度情况下，浓差极化时燃料电池性能的影响。对80℃阴极气体分为不加湿、50％加湿和100％加湿进行对比，结果表明，低电流密度100％加湿性能更好，在高电流密度时50％加湿性能更好。另外详细分析了浓差极化区燃料电池内部水的摩尔浓度、氧气浓度分布与电池性能的影响关系，表明浓差极化仅在燃料电池的部分区域发生。不同的工作电流密度下选取合适的加湿度可以提高燃料电池的性能。     

直通与交叉流场质子交换膜燃料电池瞬态特性

研究了质子交换膜燃料电池三维、两相瞬态数学模型,分析了电压负载变化方式、流道与肋条宽度比对直通和交叉流场燃料电池瞬态特性的影响.结果表明,多孔电极氧气浓度偏离其稳态分布是导致电流上冲和下冲的原因;而响应时间由膜中水的含量达到稳态分布所需时间决定.交叉流场相对直通流场在多孔电极具有更高的局部氧气浓度,导致电流上冲峰值与下冲谷值均高于直通流场.随流道与肋条宽度比增加,两种流场响应时间均增长,直通流场电流上冲现象增强,下冲现象减弱,而交叉流场,电流上冲与下冲现象均增强.     

测绘与解析方法相结合生成流体机械的流道曲线

用数控机床加工流体机械(向心泵、离心机、分离机等)的机体，必须依据流道曲线编程。设计流道曲线是依据普遍规律——伯努里方程，建立解析表达式，由经验(规范)和实验确定符合特定性能要求的参数。对已有流体机械逆求其流道曲线，由于不知道性能参数无法直接用伯努里方程；如果用逐点测绘的方法，不仅烦琐也得不到流道曲线的解析表达式。本文介绍了解析与测绘二者相结合的方法，即只需要尽可能精确地测定若干特征点的数据，就可以解析表达式中的必要参数。先结合实例介绍一般原理和确定流道曲线的具体方法，再通过实测和实例说明效果。实践证明，此方法使机器性能显著提高，造价降低。     

交指状流场质子交换膜燃料电池的数值分析

为研究流场结构设计对电池内的流动、组分传递和电池性能等的影响,建立了一个稳态的三维非等温质子交换膜燃料电池数学模型,应用此模型对一个交指状流场设计的电池单体（电极面积为64 cm ×65 cm）进行了数值研究.数值计算得到了电池的温度、组分质量浓度和局部电流密度等的空间分布,分析了不同电池反应物湿度等对电池特性的影响.结果表明,受传质的影响,沟道下方阴极催化层的温度大于相应沟脊下方的区域;与饱和气流进气的基本工况相比,降低阴极的进气湿度能提高电池的性能,而降低阳极的进气湿度则会导致电池性能的下降.     

PEM燃料电池的流场设计

质子交换膜燃料电池流场的合理设计有利于组分浓度、电流密度等的均匀分布,从而达到提高电池性能的目的。采用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块,对3种常见的流场形式分别从氧气摩尔浓度、膜中水含量和电流密度分布等3个方面进行了综合分析。结果显示,电池性能由高到低依次为:多蛇形I流场、多蛇形II流场和平行流场。该方法可用于指导质子交换膜燃料电池空气流场的优化设计。     

质子交换膜燃料电池蛇形流场结构的数值模拟

为了研究蛇形流场结构对电池性能的影响,通过多物理场直接耦合分析软件COMSOL,建立了质子交换膜燃料蛇形流场三维阴极模型,分析了蛇形流场燃料电池中单、双、三蛇形结构流场对电池流场内压力分布的影响,验证了建立模型的有效性与可靠性;进一步研究在三蛇形流场结构基础上,蛇形燃料电池拐角处设计为直角、圆角两种结构时,对不同拐角结构流场内部以及拐点处流体流速进行了分析。研究发现：三蛇形流场的压力损失相对较小;蛇形燃料电池拐角处设计为圆角结构时,能更好的提高反应气体的流动与扩散,进而提高反应速率。     

微型燃料电池流场板研究进展

在环境污染日益严重的今天,作为清洁能源的燃料电池受到越来越多的关注。为了适应便携式设备的需求,燃料电池的微型化成为发展趋势。在微型燃料电池的诸多关键技术中,流场板结构及其加工成为主要困难之一。本文介绍了微型燃料电池的工作原理,探讨了包括流场板形状、微沟道尺寸和流场板开孔率等方面的流场板结构对微型燃料电池性能的影响,综述了基于MEMS技术的微流场板加工工艺。     

Elucidating the operating behavior of PEM fuel cell with nickel foam as cathode flow field

Metal foam material, which serves as an alternative replacement of the conventional flow distributor of proton exchange membrane(PEM) fuel cell, has been attracting much attention over last few decades. In this work, three-dimensional modeling work for PEM fuel cell containing metal foam as cathode flow distributor has been carried out. The fuel cell performance and operating characteristics of metal foam flow field and conventional parallel flow channel have been compared and discussed.The cell performance has been reasonably validated based on the corresponding experimental tests conducted in this study. The superior performance of PEM fuel cell with metal foam as cathode flow field benefits a lot from the uniform gas flow. The porous metal foam material provides more pathways for the water delivery at the interface of metal foam flow field and gas diffusion layer(GDL), accelerating water removal capability of cathode. Because of the significant oxygen transfer loss in diffusion limited parallel channel, the operation of PEM fuel cell with parallel channel is found to be more sensitive to cathode humidification and oxygen supply at inlet. Due to the more uniform and effective electron transport though the porous electrode, it is possible to use thinner GDL in metal foam PEM fuel cell. It is expected that this study could give a good baseline of operating behavior of PEM fuel cell with metal foam flow distributor.     

考虑水膜存在的PEMFC流场的优化模型

在PEMFC的研究中,双极板流场一直是一个非常关键的研究部分。如今对双极板流场的研究,多基于反应产物水仅以气态形式存在,然而在实际的反应中,尤其在大电流密度下,扩散层中有液态水产生并在电解质表面形成水膜,影响着燃料电池的使用性能。引入液态水水膜对PEMFC性能的影响,推导出新的电流密度公式,使其更符合真实反应情况,并建立了更准确的三维阴极模型对交指形流场尺寸进行优化,得出在宽度为1cm的双极板上制造出4组流道且其进出流道宽度比为1.5∶1时更好。     

Effect of geometrical configurations on alkaline air-breathing membraneless microfluidic fuel cells with cylinder anodes

Membraneless microfluidic fuel cells(MMFCs) outperform traditional membrane-based micro-fuel cells in membraneless architecture and high surface-to-volume ratio and facile integration, but still need substantial improvement in performance. The fundamental challenges are dictated by multiphysics regarding cell configurations: the interaction of fluid flow, mass transport and electrochemical reactions. We present a numerical research that investigates the effect of geometrical configurations(rod arrangement, cell length, rod diameter and spacer configuration) on the fuel transport and performance of an alkaline MMFC with cylinder anodes. Modeling results suggest that the staggered rod arrangement outperforms the in-line case by 10.1% at 50 μL min~(–1). Cell power output and power density vary nearly linearly with the cell length. In the case with 0.7 mm anodes and 0.3 mm spacers, the increased flow resistance at anode region drives the fuel to intrude into the spacer zone, leading to fuel transport limitation at downstream. The feasibility of non-spacer configuration is demonstrated, and the power density is 93.7% higher than the baseline due to reduced cell volume and enhanced fuel transport. In addition, horizontal extension of the anode array is found to be more favorable for scale-up, the maximum power density of 181.9 mW cm~(–3) is predicted. This study provides insight into the fundamental, and offers guidance to improve the cell design for promoting performance and facilitating system integration.     

电渣重熔过程渣池流场数值模拟

采用商业软件ANSYS和FLUENT建立了电渣重熔过程渣池流场数学模型,分析了电渣重熔过程电磁力和热浮力共同作用下渣池流动行为,以及典型电渣重熔工艺参数（电极形貌、插入深度、填充比和电流强度）对电渣重熔过程渣池内流场的影响规律．结果表明：电磁力有利于渣池内产生逆时针涡流,浮力有利于渣池产生顺时针涡流．电极端部形貌对渣池流动影响较大,当电渣重熔电流均为5000A,频率为50Hz时,平头电极所在渣池内同时存在逆时针涡流和顺时针涡流,锥形电极所在渣池内只存在逆时针涡流．电极填充比和电流都对渣池内流动行为影响较大,减小电极填充比和增大电流强度都会使渣池内逆时针涡流增加．     

感应磁场对金属液电磁净化的影响

解析了矩形管道电金属液的感应磁场，数值计算了金属液电磁净化时的二维诱生流场，并追踪了夹杂物颗粒在流场中的运动轨迹，结果表明，直流电的感应磁场会诱生二次流，对“直流电＋稳恒磁场”的电磁净化模式形成干扰，另一方面，这个弱对流对“单电流”电磁净化模式是有益的。