PEMFC冷却流道数值模拟及实验研究

温度是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作性能的主要因素之一,为了使燃料电池的温度更加均匀并提升电堆综合效率,设计了一种新型冷却流道,通过CFD模拟与传统的平行流道和蛇形流道进行对比,采用表面最大温差、温度均匀指数和冷却液压降评估冷却流道性能。基于新型冷却板,装配1 kW电堆进行膜电极单体电压稳定性实验。结果表明：新型冷却板可以在降低冷却液循环耗能的基础上,保证电堆膜电极的电压均衡性,平均电压波动在±0.003 762 V,进而可进一步提升电堆综合发电性能。     

质子交换膜燃料电池堆电气性能试验研究

对5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的电压一电流特性、温度特性、压力特性、反应气体计量比特性等进行了测试.并从电化学热力学和动力学两个角度初步分析了各运行参数对电堆性能的影响机理.试验表明,适当升高温度和反应气体压力有利于改善PEMFC电堆的性能,氢气、空气计量比分别为1.2和2.5时,该电堆性能最好.     

基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电堆温度控制系统,提出一种基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制器设计方法。首先建立PEMFC的电堆温度模型,并对模型进行非线性变换。根据变换后的模型设计扩张状态观测器,利用扩张状态观测器得到电堆温度的动态过程,并将得到的动态过程信息补偿到控制器中。所设计的控制器不需精确的PEMFC内部传热过程,是一种不基于模型的控制器设计方法,且算法简单,工程实用性强。仿真结果表明所提出的控制方法适合PEMFC电堆温度控制系统的设计,并具有较好的控制效果。     

变截面直流道燃料电池性能分析

运用CFD软件模拟分析了10种不同变截面流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,在相同操作条件下,对比分析了10种流道的压力分布特性、水分布特性、气体分布特性及电化学特性,详细说明了各性能随流道截面结构变化的规律。由模拟结果分析得出,V型变截面流道的各方面性能最优,其能够保证合理的压降、有效地排出反应生成的液态水、使气体更加均匀地分布于扩散层,从而保证了PEMFC性能的提升。此外,V型变截面流道PEMFC的最大功率密度比正常截面PEMFC提高了12.2%。模拟结果对PEMFC流道的设计与优化具有一定的指导意义。     

仿猪笼草结构的质子交换膜燃料电池流道设计

模仿猪笼草口缘表面特殊的周期性鸭嘴形微腔结构,设计了一种具有定向液体输运功能的新型质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道。通过数值模拟研究发现,带有新型仿猪笼草结构流道的PEMFC比带有传统光滑流道的PEMFC的性能显著提高。同时还与几种带有类似结构的流道进行了对比,结果表明,带有仿猪笼草结构的新型PEMFC流道除了能增强气体燃料在流道内的传质作用外,还能加快阴极流道内水分的排出,防止发生使PEMFC性能降低的“水淹”现象。     

5kW氢空PEMFC的性能

构建了5kW氢空质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统,电堆工作温度范围为室温到80℃,工作压力为200kPa;研究了5 kW PEMFC的性能特点.结果表明:PEMFC性能随着气体压力和电堆温度的升高而提高.当氢气流量为46 L/min、空气流量为120 L/min时,电池性能最好.     

不同流场的PEMFC性能研究

改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响。设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm~2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差。阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大。单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m~3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m~3。     

PEMFC气体扩散层变形对流道内水传输的影响

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道内气体扩散层(GDL)表面的微型凹槽模型,考虑到GDL表面微型凹槽处疏水涂层的脱落,将微型凹槽内的壁面当作亲水性壁面处理,运用FLUENT软件中的Volume of Fluid(VOF)模型模拟PEMFC处于工况下流道内液态水的传输现象,得出了在GDL表面的亲水性微型凹槽会阻碍流道内液态水的传输及排出的结论,并通过对比三组不同空气流速下流道内液态水的体积分数,分析了空气流速对流道内水传输的影响,对于正确认识PEMFC流道内的水传输现象和提高PEMFC的水管理性能具有重要意义。     

基于改进混沌粒子群的PEMFC模型参数辨识

基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的输出特性及相关电化学反应建立输出特性模型,提出改进混沌粒子群优化(CPSO)算法来优化PEMFC输出特性模型参数辨识问题。首先采用6种标准测试函数验证了CPSO算法的寻优性能,然后针对两种参数不同的电堆进行了输出特性模型参数辨识。结果表明,相较于遗传算法(GA)、粒子群优化(PSO)算法、受约束粒子群优化(B-PSO)算法、具有收缩系数的粒子群优化(PSO-χ)算法、引力粒子群优化(GSAPSO)算法以及差分进化算法(DE),CPSO算法辨识精度最高且收敛速度最快。静态工况下电堆1的均方根误差为0.213,平均相对误差为2.339%;电堆2的均方根误差为0.481,平均相对误差为1.243%,充分说明CPSO算法在PEMFC输出特性模型参数辨识方面的优越性。     

空冷型PEMFC电堆温度建模及改进GPC控制

为了使电池具有良好的输出性能,质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆温度必须控制在一个合适的范围内.提出了一个基于广义预测控制(GPC)的PEMFC温度预测控制方案.根据电池内部的能量守恒定律,建立了空冷型燃料电池电堆温度模型,基于此温度模型,采用GPC控制器建立了PEMFC温度控制系统,并提出一种改进的广义预测控制算法,减少了计算量和控制过程中的超调.设定温度为实验所获得的最佳工作温度.控制仿真结果表明,设计的PEMFC温度GPC控制系统有较高的控制精度与响应速度.     

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。     

几何尺寸对楔形流场PEMFC性能的影响

在三维非等温单相模型的基础上,比较了质子交换膜燃料电池(PEMFC)楔形流场与平行流场的电池性能,且对楔形流场进行了高度及宽度方向上尺寸的变化,分析了其对电池性能的影响.结果表明:随着楔形流道楔高比的减小,楔形流场可提高PEMFC的电池性能;保持流道进口截面宽度不变时,随着楔宽比的增大,燃料电池性能呈先升高后降低的趋势...     

PEMFC新型流场的设计与数值模拟

质子交换膜燃料电池流场的主要功能是为燃料电池提供反应物和生成物流动的场所.流场决定着质子交换膜燃料电池内部的物料分布.流场设计的优劣直接影响着电池的性能.利用FLUENT12.0进行了模拟,针对在反应中形成的气泡流,提出一种能够有效排除第二相的方案,即加入了副流道的设计.新型流场保留了传统流场的流道,并在脊上打出副流道入口通道.该种新型流场能较高地提高电池的性能,其原因为具有主副双流道的新型流场能够更有效地促进反应物氧气的排除和生成物水的排除.较传统流场相比,新型流场的流道截面上氧气的平均摩尔分数提高了16.4％,水的平均摩尔分数降低了66％,电流密度提高了20％.     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。     

PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）核心组件,极板的流道形状和尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水、散热性能。基于极板工作原理提出一种新型PEMFC压差流道构型,研究流道内阴极氧气浓度、水浓度分布、进出口压降、流速的变化,分析电流密度和极化曲线对燃料电池电化学性能的影响;50%开孔率时,对比8组低压直流道和高压直流道宽度同时增大的仿真结果发现,低压直流道和高压直流道宽度均由2.25mm减小到0.5mm时,功率密度峰值提高了31.9%。进一步探究压差流道中增大或保持一种流道宽度不变去改变另一种流道宽度对燃料电池电化学性能影响,结果表明低压直流道和高压直流道宽度均为1mm时,功率密度峰值最高可达0.39W/cm2。     

质子交换膜燃料电池三维性能数值仿真

采用CFDResearchCorporation(CFDRC)Ver .2 0 0 3软件进行模型的建立及数值求解。比较了不同流道设计对电池性能的影响。结果发现 :在低操作电压下 ,气体补充速度比反应速度慢 ,容易产生浓度极化 ;栅状流道的气体分布非常不均匀 ,也会有传质极限的现象发生。蛇行流道的气体分布较均匀 ,传质也较好 ,性能比栅状流道好     

流场尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响

流场的形状和尺寸是设计双极板的核心。合理的流场既要确保电极各处均能获得充足的反应剂供应,同时又要保证反应产物水的排出。研究了不同流场尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响。实验结果表明:在一定范围内,随着开孔率的增加,电极与流场本相及接触电阻也逐渐增加;开孔率相近时,这一电阻相差不大。在相同开孔率的情况下,沟槽尺寸越小,电池性能越好。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

质子交换膜燃料电池阴极液态水传输模型

通过分析确定了质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极膜/扩散层界面和流道/扩散层界面出现液态水的临界电流密度值与阴极反应气体流速的关系。建立了阴极液态水传输模型。模型分析得到,在相同电流密度下,阴极膜/扩散层界面的饱和度高于流道/扩散层界面;随电池温度的升高和入口气体相对湿度的降低,膜/扩散层界面水饱和度下降。同时基于文中条件,由水饱和度的瞬态特性分析表明,在较短的时间内水饱和度达到稳态。这些结果将为电池水管理提供依据。