HT-PEM燃料电池组合流场的性能模拟

为了研究流场结构对HT-PEM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),对由两种流道组合而成的4种流场(两种单一流场与两种混合流场)的HT-PEM燃料电池进行了数值模拟。在相同的操作条件下,得到了4种组合流场的极化曲线、阴极氧气浓度变化及阴极流道中心压力变化情况。对模拟结果进行分析和比较得出:阴极氧气浓度和阴极流道中心压力均沿着气体流动方向逐渐降低,其变化主要发生在流道的拐角处及渐变处;综合考虑输出电流密度、气体传质及气体在电极各处分配的均匀性等因素,蛇形渐变流场的整体性能最好,阳极普通蛇形流场/阴极蛇形渐变流场组成的混合流场其次,普通蛇形流场再次,阳极蛇形渐变流场/阴极普通蛇形流场组成的混合流场最差。模拟结果对HT-PEM燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义。     

不同衰退机理对PEMFC怠速工况性能衰退影响的模拟研究

分析质子交换膜燃料电池(PEMFC)怠速工况衰退机理,确定怠速工况不同衰退机理对燃料电池模型参数的影响,采用所建立的PEMFC二维等温多物理场模型,仿真研究燃料电池在怠速工况衰退前后的性能及各种衰退因素对电压衰减量的贡献和内部反应气体分布变化。研究结果表明,阴极活化损失增大是怠速工况下最重要的衰退因素,其次是开路电压衰退,影响最小的是阴极电化学活性面积衰退;在相同操作条件下,衰退后燃料电池的最低氧气摩尔浓度和最低氢气摩尔浓度上升,电流密度分布不均匀现象加剧。     

外加磁场环境下圆柱型PEM燃料电池的工作性能研究

设计了一种圆柱型PEM燃料电池,研究了该燃料电池在外加磁场环境下的工作性能。实验结果表明,由磁力机产生的均匀磁场和永磁铁产生的梯度磁场均能提升圆柱型PEM燃料电池的工作性能,梯度磁场对燃料电池的输出功率密度提升更大;燃料电池的阴极、阳极位置也影响其工作性能,当以内部集流板作为阳极、外部集流板作为阴极运行时,燃料电池输出功率密度更大,而且外加磁场对燃料电池的功率提升比也更大。     

非对称气体扩散电极对空冷自增湿质子交换膜燃料电池性能的影响

通过对阴极和阳极气体扩散电极(GDE)采用不同厚度的碳纸、不同PEFE载量等方法研究了非对称气体扩散电极对空冷自增湿燃料电池性能的影响。通过实验得出:增大阳极扩散层厚度、减小阴极扩散层厚度均能提高电池性能,而且通过提高阳极疏水性,降低阴极疏水性,能够保证促进阳极保水和阴极排水,提高电池性能。得到的阳极PTFE含量60%,阴极PTFE含量20%的非对称型GDE组装的电池性能比PTFE含量40%的对称疏水GDE制备的PEMFC性能高5%,比商业的SIGRACET~(?)高9.16%。电池在50℃自增湿条件下工作的最大功率达到643.2mW·cm~(-2)。     

阴极开放式质子交换膜燃料电池实验性研究

文中围绕实验室自制的开放式阴极自增湿型质子交换膜燃料电池开展了大量相关实验,采用FLUKE Ti25红外温度成像仪测得了各种操作条件下电池表面温度分布图像。实验结果表明:在封闭式阳极(anode dead-end)操作条件下,液态水会在阳极逐渐积累而影响反应气的传质,造成电池输出性能的衰减。通过阳极排气可以使电池性能恢复。纵观电堆表面温度分布情况,总体呈现出沿氢气流道方向递增的趋势。且随着电流密度的增大,这种温度分布的不均匀性变得更加明显。在实验所测试的范围内,电堆的平均输出功率密度达到了583 mW/cm2。     

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.     

空气不增湿条件下的PEMFC性能特性

为了考察质子交换膜燃料电池(PEMFC)在空气不增湿(20%相对湿度)条件下的性能特征.文章通过极化曲线的测试,考察了工作温度、空气过量系数、氢气过量系数以及氢气相对湿度对300W PEMFC电堆性能的影响.结果表明:在空气增湿不够的条件下,电堆温度过高将使电堆性能下降;空气过量系数越大,电堆欧姆极化越严重;氢气过量系数对电堆性能影响不大;随着氢气相对湿度的增大,电堆性能得到改善,输出功率得到提高.     

低催化剂载量直接甲醇燃料电池性能实验研究

利用自行设计的直接甲醇燃料电池实验系统研究了电池温度、阴极侧压力、甲醇溶液浓度和流量、氧气流量对低催化剂载量（阳极Pt-Ru载量为0．4mg／cm^2；阴极Pt载量为0．4mg／cm^2）直接甲醇燃料电池性能的影响。重点分析了运行参数对电池内部传质的影响。实验结果表明提高甲醇溶液浓度和流量不仅会强化甲醇向阳极催化剂层的传递，也会加剧甲醇窜流。另外，还研究了电流变化时电池电压的动态响应，结果表明甲醇窜流对电池动态响应起关键作用。     

不同气体相对湿度与氧气流量下梯度磁场对PEMFC工作性能的影响

文章在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧加载强度为360 mT的梯度磁场,研究不同气体相对湿度与不同氧气流量下梯度磁场对PEMFC工作性能的影响。研究结果表明:在PEMFC阳极侧加载梯度磁场有利于提高PEMFC的工作性能;随着气体相对湿度的逐步升高,PEMFC的输出功率密度随之提升,且梯度磁场对不同气体相对湿度下的中、高电流密度区域的PEMFC工作性能有稳定的提升效果;当阴、阳极的气体相对湿度为100%时,加载梯度磁场后的PEMFC输出功率密度达到最高;当氧气与氢气的流量相同且较低时,梯度磁场对PEMFC的工作性能有大幅度的提升效果;当氧气流量大于氢气流量时,梯度磁场对PEMFC的影响在高电流密度区域更为显著,但过高的氧气流量会对PEMFC的工作性能起到抑制作用;在阳极侧垂直加载梯度磁场,能够降低PEMFC对环境的敏感性。     

平板状固体氧化物燃料电池的数值模拟

利用流体力学计算软件FLUENT建立平板状固体氧化物燃料电池（SOFC）三维数值模型，研究在不同操作条件和支撑形式下，活化极化、欧姆极化、浓度极化对SOFC性能的影响。在多孔电极中的气体流动符合达西定律的前提下，为满足不同的多孔电极设计，综合考虑了摩尔扩散和Knudsen扩散。另外还考虑了电池电化学反应热对欧姆极化的影响。分析结果表明，阴极和阳极支撑固体氧化物燃料电池具有较低的操作温度和较好的输出特性。