金属钙离子浓度对PEMFC性能影响研究

通过向PEMFC阳极添加3种浓度(即50、200、500 mg/L)金属钙离子溶液,研究金属钙离子浓度对PEMFC性能的影响。实验结果表明,随着Ca~(2+)浓度增加,燃料电池电压不断降低。在电流密度为500 m A/cm~2,相同的污染时间9 h的条件下,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染后的电池电压相对于未污染的电池电压分别降低了14%、29%、64%;燃料电池的最大功率密度随着金属Ca~(2+)浓度的增加而降低,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染9 h后的电池最大功率密度相对于未污染的电池最大功率密度分别降低了24%、33%、43%。电池经500 mg/L Ca~(2+)污染6 h,在500 m A/cm~2电流密度下恒电流放电2 h后,电池电压降低了58%。这些结果表明,Ca~(2+)及其浓度对PEMFC的电化学性能有显著的影响。     

扩散层孔隙率对PEMFC性能影响的模拟研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,采用COMSOL软件,通过数值模拟得出气体扩散层不同孔隙率(0.2,0.4,0.6和0.8)时,单直通道和具有楔形肋片(长1 mm,高1.5 mm,宽2 mm)的PEMFC性能曲线、阴极氧气质量分数分布和水质量分数分布。结果表明:扩散层孔隙率对燃料电池性能具有较大影响,随着扩散层孔隙率从0.2增大到0.8,PEMFC的电流密度逐渐增加,最大可达847 mA/cm~2;相对于单直通道,增加孔隙率比添加楔形肋片更利于提升电池性能;在孔隙率为0.6和0.8时,氧气更易扩散到反应区,排水效果更好。     

质子交换膜燃料电池建模及水热传输特性分析

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理开展了研究,建立了一维非等温两相流解析模型,研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同加湿方案对电池内部水分布和温度分布的影响,提出了更好的进气加湿方案。结果表明:电流密度增大会导致阳极拖干、阴极水淹加剧,导致电池各部分温度上升。因各层材料亲水性不同,在交界面处能观察到液态水阶跃现象。增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极,一定程度上缓解阳极变干,但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧。通过采取"阳极充分加湿、阴极低加湿"的进气加湿方案可以有效提高电池性能,并且能在一定程度改善电池内部受热,提高电池使用寿命。     

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)。     

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.     

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。     

气体扩散层厚度对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的气体扩散层(GDL)厚度对燃料电池的输出性能有重要影响。文章利用多物理场直接耦合分析软件(COMSOL Multiphysics 5.0),在电池温度为70℃的条件下,对4种不同厚度的GDL进行模拟分析,并在相同的操作条件下,得到了4组极化曲线、阴极氧气浓度、阴极水浓度、阳极氢气浓度以及电流密度的变化趋势图。对比分析4组变化趋势图后发现:GDL的厚度越小,燃料电池的性能越好;GDL的厚度对阳极氢气的浓度分布影响不大;当GDL的厚度增大时,产生的液态水会堵塞GDL的孔隙,降低GDL的孔隙率。     

不同型式流场的PEMFC内部传质分析

对采用不同型式流场的PEMFC进行建模,并用控制容积法对控制方程进行离散,求解得到PEMFC内部各物理量的分布以及综合水拖带系数、质子交换膜平均电导率等。分析了采用交趾型流场和常规流场时PEMFC的内部传质以及阴极性能、电池性能和膜性能,结果认为采用交趾型流场时,PEMFC阴极性能高于采用常规流场的PEMFC阴极性能,但质子交换膜的平均电导率低于采用常规流场时。在没有液态水产生时常规流场PEMFC性能高于交趾型流场PEMFC。     

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。     

阴阳极饥饿对PEMFC单电池动态性能影响

该文以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)单电池为研究对象,研究不同的氢氧饥饿程度条件下,PEMFC单电池极化曲线、功率密度和高频阻抗的变化。该研究结果表明,氧饥饿对PEMFC单电池性能有显著影响,减小空气过量系数,极化曲线下降速率加快,最大功率密度减小,单电池性能衰减加快;而氢饥饿对PEMFC单电池几乎无影响,只有当氢气过量系数降至1.1时,PEMFC单电池的输出性能略有提高;阴阳极侧的交流阻抗随着气体过量系数的减小均表现为增加的趋势。     

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。     

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。     

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。     

不同材料作为阳极扩散层对质子交换膜水电解池性能的影响

文章分别选用钛毡、烧结钛板与碳纸作为阳极气体扩散层,组装单节质子交换膜水电解池,并进行极化曲线和稳定性测试,以及交流阻抗测试和物理表征。研究结果表明:在常压,60℃的条件下,钛毡具有最好的电解性能;在电流密度为2.0 A/cm~2的稳定性测试中,烧结钛板扩散层、钛毡扩散层和碳纸扩散层的衰减率分别为65,73,386 mV/h;钛毡更适合作为质子交换膜水电解池的阳极扩散层。     

直接液体甲醇燃料电池流场组织行为研究(Ⅰ) 传统对称流道电池的模型建立

建立了直接甲醇燃料电池垂直流道方向电池单元的二维稳态数学模型,考虑了电化学动力学、多组分传递和甲醇渗透影响.计算了流道布置密度、扩散层、催化层和质子交换膜等组件尺度对电池内物料传质特性、化学反应组织和电池输出性能的影响.研究发现,增加流道布置密度、增加催化层厚度能有效提高电极反应均匀性和电池性能.其中催化层和质子膜的厚度影响最为显著,在该文研究范围内分别可提高电池的平均电流密度131.0%和17.8%.而扩散层和质子交换膜厚度都存在一个最佳值,需要与以上流场板设计尺寸和膜电极尺寸匹配.     

叉指型PEMFC阴极内的两相流动模拟

对叉指型质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极提出一个二维两相的多组分流体输运模型,应用连续性方程和Darcy定律以及组分扩散方程描述了反应气体和生成水的流动和传质。利用Leverett函数关联毛细压力与水饱和度,采用半经验关系式给出了气液在多孔层的相对渗透率。本模型预测的叉指型PEMFC性能曲线与文献中实验结果符合较好。研究发现,液态水在阴极内由催化层向出口流动是气体流动的剪切力和毛细驱动力共同作用的结果,液态水流速比气体流速小3个数量级或更多,液态水在电极上的分布比较均匀。     

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。     

基于电化学阻抗法的质子交换膜燃料电池“三步活化法”机理研究

活化能够有效地发挥质子交换膜燃料电池膜电极的性能,"三步活化法"是其中一种比较理想的方法。为了研究"三步活化法"活化质子交换膜燃料电池的机理,利用电化学阻抗谱测试"三步活化法"过程中的膜电极阻抗,并建立等效电路模型拟合所得实验数据。结果表明,"三步活化法"可以有效降低欧姆阻抗、阳极法拉第阻抗、阴极法拉第阻抗以及阴极传质阻抗,这表明"三步活化法"有利于电子、质子、气体与水的传输通道的形成。     

外界供给参数对PEMFC输出性能及水热平衡的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的水热平衡,从而进一步改善PEMFC的输出性能,文章建立了PEMFC的三维模型,通过改变PEMFC的外界供给参数(进气速度、加湿率以及冷却水流速),应用COMSOL模拟仿真得到了PEMFC的极化曲线和功率曲线、流道和气体扩散层(GDL)的水浓度分布情况,以及冷却水流速对PEMFC温度的影响。研究结果表明:随着进气速度和加湿率的逐渐增加,PEMFC的输出性能均逐渐提升,但是,过高的加湿率可能导致电极水淹;随着冷却水流速的增加,PEMFC温度加速下降,膜内温度分布变得更均匀。     

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。