外气道SOFC电堆流场的优化设计和数值模拟

外气道固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆的流场分布对电堆性能有重要影响,通过对电堆侧盖的优化设计可以实现气流均匀分布.电堆侧盖主要分为从上至下的三管进气和中间单管进气两种结构.基于千瓦级电堆模型,将侧盖空腔划分为24条出气通道,以测量每条气体通道的出口速度,最终反映电堆入口气体的分布状态.利用ANSYS软件对侧盖空腔内气流均匀性分布进行了数值模拟.实际测量及数值模拟的结果均表明:降低气体在侧盖腔体内的流动速度,可以有效提高气流的均匀性.实际电堆中阳极和阴极气体分配器的存在将增大气体流动阻力,有利于侧盖中的气流进一步均匀化.     

渐扩型流场PEM燃料电池性能影响研究

流场板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要部件之一。本文设计了一种流道渐扩型的流场板,组装了25cm2的单电池,并运用燃料电池测试系统测得该流场的燃料电池的极化曲线和电池内阻等性能参数,研究了气体加湿度以及电池安放角度对渐扩型流场的燃料电池性能的影响。研究结果表明:在气体100%加湿条件下电池能够获得最好性能,随着重力角度的增大,燃料电池竖立放置时性能最优,而燃料电池平放时性能最差。     

质子交换膜燃料电池不同流场接触压力有限元分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)螺栓扭矩在双极板与气体扩散层间产生接触压力,该力直接影响反应气体扩散层传质进而影响PEMFC效率。本文建立了三维有限元模型,研究不同材质和流道形式下接触压力随螺栓扭矩的变化规律。研究结果表明:石墨双极板接触压力较316L不锈钢小,分布更均匀;平行流场接触压力最大,三通道蛇形流场最小;平行流场分布均匀性最佳,新型仿生树形流场最差;平行流场螺栓扭矩在1.5～2.0N·m间、三通道蛇形与新型仿生树形流场在2.0～2.5N·m间存在分布均匀性极值。从优化接触压力与分布均匀性提升PEMFC性能的角度出发,应采用弹性模量小的材质以及双极板与气体扩散层直接接触面积少、流道数目多且一致化的流道形式,并使用最佳螺栓扭矩进行封装。     

PEM燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究

双极板流场结构对质子交换膜PEM(proton exchange membrane)燃料电池的电化学性能至关重要。基于双极板的工作原理和有限元分析FEA(finite element analysis)理论,设计了一种用于PEM燃料电池的新型迷宫流场结构双极板,通过建立包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、迷宫流场结构双极板和流道在内的完整PEM燃料电池的三维模型并进行数值分析,研究具有该迷宫流道结构双极板PEM燃料电池的电化学性能。此外,还制备了具有该迷宫结构的石墨双极板试样并进行电化学性能实验。研究结果表明,在保持PEM燃料电池其他参数一致时,具有迷宫流场双极板的PEM燃料电池有较大的功率密度,其最大值为520.283 mA/cm2,实验结果与模拟结果一致,验证了数值模拟的可靠性。     

PEM燃料电池双极板流场结构研究进展

双极板在质子交换膜燃料电池中起着分配反应气体、导电、导热及使水、气安全顺利排出等功能,流场结构构成了双极板最主要的特征。综述了相关文献和专利,介绍了典型的燃料电池流场结构及基于此种流场的改进流场,并对新型流场做了介绍,为质子交换膜燃料电池流场的设计、性能的研究提供参考。     

渐扩型流场PEM燃料电池性能影响研究

流场板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的重要部件之一。本文设计了一种流道渐扩型的流场板,组装了25cm^2的单电池,并运用燃料电池测试系统测得该流场的燃料电池的极化曲线和电池内阻等性能参数,研究了气体加湿度以及电池安放角度对渐扩型流场的燃料电池性能的影响。研究结果表明：在气体100％加湿条件下电池能够获得最好性能,随着重力角度的增大,燃料电池竖立放置时性能最优,而燃料电池平放时性能最差。     

质子交换膜燃料电池电流分布测定

目前大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减。研究质子交换膜燃料电池电流密度分布 ,是解决其电池放大过程中性能衰减的基础 ,对提高燃料电池的比功率 ,加速其商业化进程具有重要意义。采用子电池方法 (SubcellApproach)对质子交换膜燃料电池电流分布进行了测定 ,采用网状流场 ,面积为 13 0cm2 。分别考察了气体压力、气体流量、电池温度及不同放电电流密度等条件对电池电流分布的影响。实验结果表明 ,采用网状流场电流密度分布并不均匀。分析了网状流场内流体、水分布情况 ,提出了一种网状流场新的流型。这种方法还可以应用于蛇型流场及其他流场电流分布的测定     

多蛇形流道几何特征的数值研究

合理的流道几何特征可以提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能;使用Fluent软件以多蛇形流场板为研究对象,从反应气体进入流场开始到排出流场结束,针对流道的几何特征进行了系统的数值研究与优化;首先用微流体元件中微流道之缓冲区的设计方法对八流道流场板入口进行了优化使反应气体流速更加均匀,然后对单一型及复合型流道截面进行了数值研究,最后研究了流道基本尺寸——流道深度、流道与脊背宽度对燃料电池性能的影响;相对最优的流道深度为0.45mm,流道宽度与脊背宽度为1mm;对实际设计及燃料电池双极板的制造有参考意义。     

PEMFC双极板流场结构研究现状

双极板作为燃料电池的核心部件,在燃料电池中,起到了分配气体、导电、导热、排水等重要作用,而其性能很大程度取决于流场结构。结合国内外相关流场专利和文献,概述了传统及新型流场板的结构特征及其优缺点,并从进出口的排布,过渡区和反应区的结构设计等总结了近几年双极板整体设计的趋势,以期对流场板及电堆的设计起到参考作用。     

固体氧化物燃料电池三维热流电化学分析

根据平板固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理，对其工作系统的传热传质和电化学反应建立三维热流模型和电化学模型。控制方程引入源项，质量源项表征反应物和产物的质量变化，用Darcy模型描述气体在多孔电极内的动量源项，能量源项反应系统内的化学反应热和欧姆热。以交换电流密度连接SOFC的热流和电化学模型的耦合分析，CFD软件ANSYS-CFX求解热流模型，子程序计算电化学反应。改变工作参数如气体流动方向、燃料气组分和燃料气流动速度，分析其对电池温度场及电流密度分布的影响。结果表明：燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向进气的温度场分布、电流密度更为均匀；加快燃料气进口速度或提高燃料气中氢气质量分数，虽然提高平均电流密度，但是最高最低温度之差也随之增加，即温度梯度变化明显，因此会引起系统热应力的增加。     

PEMFC水管理的动态分析与仿真

从阳极水传榆、阴极水传输及质子交换膜中的水分布等方面进行分析,建立了燃料电池堆的水平衡和传榆方程.采用MATLAB对水管理动态过程进行仿真,通过仿真结果,对影响燃料电池堆水管理的参数(阴极回流管道常数、进电堆空气流量、喷射水的流量和电流)进行了分析.仿真结果表明:优化的回流管腔的结构可以使电堆保持良好的湿度状态;进电堆空气流量、喷射水的流量和电流等操作条件,需要在电堆工作时选择或控制.     

无增湿燃料电池冷却水道设计及数值模拟

针对一种基于自回水双极板的无增湿质子交换膜燃料电池,设计了阴极集流板的冷却水流道,使阴极集流板具有为反应气体增湿、回收反应生成的水和冷却燃料电池三方面的功能。利用CFD技术对一个由21个单电池组成的无增湿燃料电池堆冷却水道内部冷却水流动情况进行了数值模拟,分析了电堆水道内部压力和速度的分布情况。最后对电堆冷却水流道进出口压差进行了测试,测试结果与计算结果能较好吻合。     

燃料电池组的气体分配管道

对燃料电池组中气体分配管道的不同设计、不同气体流向以及气体分配管道数学模型的文献作了综述。气体分配管道的设计根据体积比功率、密封与绝缘的难易程度以及造价等影响因素综合考虑 ,内置型气体分配管道及其改进型为气体分配管道在设计上的发展方向。而气体分配管道的数学模拟还需要进一步完善 ,制约其模型准确性的关键因素为模型方程的求解技术。有必要对燃料电池的气体分配管道的计算机辅助设计软件进行研究与开发。     

多变截面SCR脱硝系统优化改造

为了解决某电厂600 MW机组选择性催化还原(SCR)脱硝系统存在脱硝效率低以及空气预热器磨损严重的问题,利用数值模拟分析该问题的原因,对该机组SCR脱硝装置进行了优化改造。结果表明:在省煤器出口水平扩张段的多变截面烟道采用小角度、多片数方法设计导流板,消除了水平扩张段的涡流低速区和高速区,提高了喷氨上游烟气流动的均匀性,并且使水平扩张段的流动阻力降低;对比涡流静态混合式喷氨、线性喷氨和分区喷氨,分区喷氨可以更好地控制首层催化剂入口氨氮摩尔比分布的均匀性,进而提高脱硝效率、减少氨逃逸;在SCR脱硝反应器出口到空气预热器入口增加导流板可以提高空气预热器入口烟气流速分布的均匀性,减轻空气预热器的磨损。     

水平渐扩管后气固两相流流动特性的试验研究

为研究气固两相流流经水平渐扩管后的流动特性,采用PIV技术对不同粒径固体颗粒、不同气体流量以及不同颗粒入口位置的气固两相流流动工况进行测试。试验发现,在管道截面扩大后,固相的存在明显加快了气相的速度,并且只有一定直径的固相才能使气体获得相对较高的速度;对于同一流量,固相颗粒的入口位置不同,也会对颗粒在管道中的流动速度产生很大的影响。     

燃烧中低热值燃料时燃气轮机系统的应对方案及其性能分析

证明了燃料热值的降低,必将使燃料量增加;提出燃用中低热值燃料时燃气轮机系统工况点调整的理论依据,并给出5种调整方案,即:增加压气机的压比(方案1)、关小进口可调导叶(IGV)角度(方案2)、降低燃气轮机进口温度(方案3)、从压气机末级抽气(方案4)、增加燃气轮机的通流面积(方案5);计算了各调整方案对燃气轮机简单循环系统热经济性和安全性的影响。结果表明:对于焦炉煤气,方案1的热经济性最高,方案4的热经济性最低,各方案对燃气轮机的安全运行几乎没有影响;对于煤基合成气,方案5的热经济性最高,方案4的热经济性最低,方案1的安全性最差;综合考虑热经济性、安全性和可操作性,对于焦炉煤气,方案1是最佳方案,对于煤基合成气,方案2是最佳方案。     

氧化物燃料电池动态性能的COMSOL模拟

电池的温度和气流流动的主要影响因素是热量的生成和散发,同时材料间的相互扩散也会导致电池性能的逐步降低,所以氧化物燃料电池中气流、压力、气体浓度的相互关系的描述在氧化物燃料电池的研究、开发中是非常有必要的。通过COMSOL软件建立氧化物燃料电池仿真模型模拟电池的动态性能,进一步研究电池内气相流动结构、质量平衡及能量守恒等问题。借助对电池两极内气体的浓度、质量以及压力等的观察分析,确定单电池内电流分布以及反应气体质量的实时改变情况,为氧化物燃料电池结构的优化设计和参数控制提供参考。     

Adaptive air–fuel ratio control scheme and its experimental validations for port‐injected spark ignition engines

To maintain the stoichiometric air–fuel ratio (AFR), this paper presents a model‐based adaptive AFR control scheme for port‐injected spark ignition engines. The utilized mean‐value model in control design accounts for the impingement and the evaporation process of the injected fuel on the walls and calculates on the uncertainties in the dynamics of the intake manifold and crankshaft rotation. A fueling controller with adaptive update laws is derived for estimating the uncertain parameters related to inaccuracies in air flow and fuel delivery into the cylinders and engine torque production, which is implemented by utilizing engine speed, manifold pressure and temperature, air mass flow rate at the throttle, and the universal exhaust gas oxygen (UEGO) sensor information, without knowledge of the fuel flow mass. Theoretical analysis shows that the proposed strategy is able to regulate the AFR against the parameter uncertainties. Moreover, both simulation and experiment on an engine test bench demonstrate the capability of the adaptive controller to recover the performance and robustness properties of the control system in the presence of various operating conditions and uncertainties including air path and fuel path perturbations and load torque disturbance as well. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

多通道蛇形流场PEMFC内传递现象的数值模拟

电极板上的流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响。为研究多通道蛇形流场设计质子交换膜燃料电池的局部流场、电流密度和组分浓度等的空间分布,应用作者前期发展的基于计算流体力学的三维稳态数学模型,对一个小型电池单体(电极面积大小为5.9cm×6.1cm)进行了详细的数值模拟,讨论和分析了该设计的流动特性和传输机理。结果表明:电池的电流密度分布比较均匀,阴极的压力损失要比阳极大得多,阳极氢的质量分数从流动入口到出口基本呈现增大趋势。